ألمنيوم 7051: التركيب، الخواص، دليل المعالجة الحرارية والتطبيقات

نظرة شاملة

7051 هو عضو في سلسلة 7xxx من سبائك الألومنيوم المصقولة يدويًا، ويقع ضمن عائلة عالية القوة تحتوي على الزنك ضمن أنظمة Al-Zn-Mg-Cu. تم تصميم السبيكة للحصول على قوة نوعية عالية وأداء متميز في التطبيقات التي يكون فيها نسبة القوة إلى الوزن ومقاومة التعب من العوامل الأساسية، بدلاً من تحقيق أعلى مقاومة للتآكل أو سهولة التوصيل.

العناصر الرئيسية في السبيكة 7051 هي الزنك والمغنيسيوم مع إضافات محكومة من النحاس ومستويات ضئيلة من الكروم والتيتانيوم للتحكم في حجم الحبيبات وإعادة التبلور. السبيكة قابلة للمعالجة بالحرارة: يتم تحقيق الخصائص القصوى من خلال المعالجة بالذوبان، التبريد السريع، والشيخوخة الاصطناعية المحكمة لتستحث ترسيب أطوار Mg-Zn الدقيقة شبه المستقرة التي تعزز التقوية بالترسيب.

السمات الرئيسية تشمل قوة شد وخضوع عالية جدًا مقارنة بدرجات الألومنيوم الهيكلية الشائعة، مقاومة متوسطة إلى ضعيفة للتآكل العام مقارنة بعائلات 5xxx/6xxx إلا إذا كانت السبيكة متقدمة في العمر، وقابلية محدودة لللحام والتشكيل عند حالات التصلب القصوى. تستخدم هذه السبيكة عادة في صناعات الفضاء والهياكل عالية الأداء في الدفاع ورياضة السيارات والقطاعات النقلية الرفيعة التي تحتاج إلى تحسين في القوة، الصلابة وأداء التعب.

يختار المهندسون 7051 على غيرها من السبائك عندما يتطلب تقليل الكتلة على مستوى المكون وقدرة مستدامة على تحمل إجهادات عالية، وعندما تسمح طرق التصنيع بالمعالجة الحرارية وتوفير الحماية الخاصة ضد التآكل. يفضل استخدام هذه السبيكة حيث لا تلبي متغيرات 7xxx عالية القوة (مثل 7075) استقرار درجات الحرارة المطلوب أو حينما يوفر مزيج Zn/Mg/Cu والسيطرة على البنية المجهرية في 7051 سلوك أفضل لمقاومة تمدد الشقوق الناتجة عن التعب.

حالات التصلب

درجة التصلب	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالي	ممتاز	ممتاز	مخمّر بالكامل، أقصى دكتيلية
T6	عالٍ	منخفض إلى متوسط	جيدة إلى ضعيفة	ضعيفة	معالجة بالذوبان وشيوخ اصطناعية للقوة القصوى
T651	عالٍ	منخفض إلى متوسط	جيدة إلى ضعيفة	ضعيفة	T6 مع تخفيف إجهادات بواسطة شد لتقليل الإجهادات المتبقية
T73 / T76 / T7x	متوسطة	متوسطة	جيدة	من ضعيفة إلى متوسطة	درجات عمر متقدم لتحسين مقاومة التصدع بالإجهاد والتآكل
Hxx (مثل H111, H116)	متغيرة	متغيرة	متغيرة	متوسطة	مقسى بالمجهود أو مقسى بالمجهود مع تلطيف جزئي لخصائص وسطية

تحدد المعالجة الحرارية والتصلب ما إذا كانت السبيكة 7051 مصممة للقوة القصوى (T6/T651) أو لمقاومة أفضل للتصدع بالإجهاد وتحسين الصلابة (T7x/T73/T76). يستخدم وصلب الحالة O لعمليات التشكيل والمعالجة الثانوية قبل المعالجة الحرارية النهائية، بينما تضحي درجات التصلب بعد العمر ببعض القوة القصوى للحصول على مقاومة محسنة بشكل ملحوظ لتآكل الإجهاد والاستقرار أثناء التغيرات الحرارية.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق بالنسبة المئوية	ملاحظات
Si	≤ 0.40	شائبة من الصب/المعالجة؛ تظل منخفضة لتجنب أطوار هشة
Fe	≤ 0.50	شائبة؛ المستويات المرتفعة تقلل الصلابة وعمر التعب
Mn	≤ 0.10	عادة منخفض في سلسلة 7xxx؛ تأثير محدود على القوة
Mg	2.0–3.0	يتحد مع Zn لتكوين أطوار تقوية بالترسيب
Cu	1.2–2.0	يزيد القوة ويؤثر على القابلية للتآكل
Zn	6.0–8.0	العنصر الرئيسي للتقوية في عائلة 7xxx
Cr	0.04–0.35	يسيطر على بنية الحبيبات ويساعد في مقاومة إعادة التبلور
Ti	≤ 0.15	مكرر حبيبات للسبائك المصبوبة وبعض المنتجات المصقولة
آخرون (لكل عنصر)	≤ 0.05	شوائب ضئيلة؛ التوازن إلى Al

الزنك والمغنيسيوم هما الزوج الرئيسي للتقوية، حيث يشكلان أطوار eta (MgZn2) شبه مستقرة عند الشيخوخة تثبت الانزلاقات وتزيد من مقاومتَي الخضوع والشد. يرفع النحاس القوة بشكل أكبر لكنه يقلل مقاومة التآكل ويزيد من القابلية للهجوم المحلي وتصدع الإجهاد؛ تساعد المستويات المنخفضة من الكروم والتيتانيوم في التحكم في بنية الحبيبات وتحسين الصلابة أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية.

الخصائص الميكانيكية

تعتمد السلوك الشدي لسبيكة 7051 بشكل كبير على حالة التصلب. في الحالات المعالجة بالذوبان والشيخوخة الاصطناعية (T6/T651) تبلغ السبيكة مقاومات شد وخضوع عالية جدًا مع انخفاض ملحوظ في الاستطالة؛ درجات التصلب المتقدمة تقدم قوة أقل مقابل صلابة محسنة ومقاومة أفضل لتصدع الإجهاد. في الحالة المخمرة، تكون السبيكة دكتيلية وسهلة التشكيل لكنها لا تصل إلى مستويات القوة العالية المطلوبة لكثير من الأجزاء الهيكلية في الطيران حتى تتم المعالجة الحرارية.

تختلف مقاومة الخضوع ومقاومة الشد القصوى والاستطالة باختلاف السمك ودرجة التصلب؛ الأشكال الأرق عادة ما تحقق قوى أعلى بعد الشيخوخة بسبب معدلات التبريد الأسرع وتوزيع الترسيبات الأدق. الصلادة مرتبطة بالاستجابة للشيخوخة: تظهر درجات الشيخوخة القصوى صلادة مرتفعة تنخفض تحت التأثيرات بعد الشيخوخة أو في منطقة الحرارة المتأثرة بعد اللحام. أداء التعب عمومًا ممتاز للبنى الدقيقة المسيطر عليها ولكنه حساس لسطح القطعة، الإجهادات المتبقية والتآكل الموضعي؛ المعالجة الصحيحة والسيطرة على تفاصيل التصميم أساسيان لتعظيم عمر التعب.

الخاصية	O / مخمرة	درجة التصلب الرئيسية (T6 / T651)	ملاحظات
مقاومة الشد	200–300 MPa (نمطي)	480–600 MPa (نطاق نمطي)	تختلف القوة باختلاف السمك، معدل التبريد، ودرجة التصلب الدقيقة
مقاومة الخضوع	60–140 MPa (نمطي)	430–540 MPa (نطاق نمطي)	يرتفع الخضوع بشكل حاد مع التقوية بالترسيب
الاستطالة	15–30%	6–12%	تنخفض الدكتيلية بشكل كبير في درجات القوى القصوى
الصلادة	30–55 HRB	85–120 HRB (تقريبًا)	الصلادة تتبع عمر السبيكة؛ الشيخوخة الزائدة تقلل الصلادة لكن تحسن مقاومة التصدع بالإجهاد

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.80–2.82 جرام/سم³	نمطية لسبائك Al-Zn-Mg-Cu عالية القوة
نطاق الانصهار	نقطة الانصهار الصلبة ~480–500 °C، نقطة الانصهار السائلة ~635–650 °C	للسبيكة نطاق انصهار واسع بسبب عناصر السبيكة المختلفة
التوصيل الحراري	~120–150 واط/م·ك (عند 20 °C، نمطي)	أقل من الألومنيوم النقي، يتأثر بعناصر السبائك ودرجة التصلب
التوصيل الكهربائي	~30–40 % IACS (نمطي)	منخفض مقارنة بالألومنيوم التجاري النقي بسبب ذرات المذيب
السعة الحرارية النوعية	~0.88–0.92 جول/جرام·ك	مماثلة لسبائك الألومنيوم المصقولة الأخرى
معامل التمدد الحراري	~23–25 ×10^-6 /°C	معامل مشابه لسبائك الألومنيوم الأخرى، مهم للتصميمات الحرارية

تحتفظ السبيكة 7051 بالعديد من مزايا الألومنيوم — مثل الكثافة المنخفضة والتوصيل الحراري الجيد — مع المقايضة بين بعض التوصيل ونقل الحرارة مقابل زيادة الأداء الميكانيكي. يتطلب سلوك انصهار وتصلب السبيكة عناية خاصة في العمليات التي تتضمن درجات حرارة مرتفعة مثل اللحام والبراز، لتجنب تغييرات غير مرغوبة في البنية المجهرية.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	درجات التصلب الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.5–6 مم	عالية عند الشيخوخة القصوى؛ السلوك يعتمد على تبريد التبريد	O, T6, T651, T73	شائعة لسطوح الهياكل ولوحات ذات قوة عالية
صفائح	6–150+ مم	قد تنخفض القوة في الأقسام السميكة بسبب حساسية التبريد	T651, T73, T76	تتطلب الصفائح السميكة تحكم دقيق في التبريد وغالبًا درجات عمر متقدمة
بروفايلات مسحوبة	الأشكال تختلف	تتأثر القوة بسماكة المقطع ومعدل التبريد	T6, T651	يمكن تحقيق مقاطع معقدة ولكن التحكم في التبريد حتمي
أنابيب	مقاسات أنابيب للطائرات والأنابيب العامة	تتبع اتجاهات مماثلة لسماكة الجدران؛ حساسة للتعب	T6/T651	تستخدم حيثما يلزم قوة محورية أو حلقية عالية
قضبان/أعمدة	أقطار تصل إلى حجم كميات كبيرة	القوة قابلة للتدرج مع حجم المقطع وحالة التصلب	O, T6	تستخدم القضبان للوصلات، البراغي والقولبة بعد المعالجة بالذوبان والشيخوخة

تصل المنتجات الرقيقة إلى قوى ذروة أعلى بسبب معدلات التبريد الفعالة الأسرع بينما تتعرض الأقسام الثقيلة للتليين الناتج عن التبريد البطيء وتوزيعات الترسيب الخشنة. تختلف مسارات المعالجة: الألواح والصفائح عادةً ما يتم لفها ومعالجتها بالذوبان في أفران محكمة التحكم، في حين تتطلب المسحوبات تصميم قوالب مراعي لمسار التبريد. يجب أن تأخذ عملية اختيار المكونات في الاعتبار حالة التصلب الممكنة للسماكة المستهدفة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	7051	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية في Aluminum Association؛ سبيكة مشغولة
EN AW	لا يوجد مكافئ مباشر واحد لواحد	أوروبا	لا يوجد مكافئ EN دقيق؛ أقربها هي درجات عائلة 7075/7050
JIS	لا يوجد مكافئ مباشر	اليابان	الممارسة الشائعة هي الإشارة إلى أقرب درجة من عائلة 7xxx
GB/T	لا يوجد مكافئ مباشر	الصين	تحتوي المعايير الصينية على سبائك Zn-Mg-Cu عالية القوة لكن بأسماء مختلفة

لا تملك 7051 دائمًا تسمية صارمة واحد لواحد في كل معيار وطني وقد تُمثّل بواسطة سبائك ملكية أو ذات صلة وثيقة في مناطق مختلفة. يجب على المهندسين التأكد من التركيب الكيميائي، وتعريف الحالة الحرارية، ومتطلبات الخواص الميكانيكية عند الاستعاضة من 7075 أو 7050 أو غيرها من درجات عائلة 7xxx، بسبب أن الفروقات الطفيفة في التركيب وحدود المواصفات تنتج تغييرات كبيرة في مقاومة تشقق التآكل الإجهادي واستجابة الشيخوخة.

مقاومة التآكل

في البيئات الجوية، تُظهر 7051 مقاومة معتدلة تعتمد بشكل كبير على الحالة الحرارية والمعالجة اللاحقة. درجات القوة القصوى ذات محتوى النحاس الأعلى تكون أكثر عرضة للتآكل المحلي والتآكل الحُبيبي مقارنةً بالدرجات المفرطة في الشيخوخة، في حين يمكن للمواد المانعة والتشطيبات الأنودية الصحيحة أن تحسن متانة السطح بشكل ملحوظ.

في البيئات البحرية وحاوية كلوريد، تتطلب 7051 إجراءات حماية لأن سبائك عائلة 7xxx عالية القوة عُرضة للهجوم بين الحبيبات وتشقق التآكل الإجهادي تحت الإجهاد الشدي. تؤدي المعالجات بالشيخوخة المفرطة إلى درجات T7x واستخدام ختم بعد الأكسدة أو تغطيات إلى تقليل القابلية وتُعد استراتيجيات شائعة للتخفيف في التطبيقات البحرية.

يعتبر تشقق التآكل الإجهادي اعتبارات تصميم أساسية: حيث تتناسب القابلية مع الإجهاد المتبقي الشدي، والحالة الميكروهيكلية المحلية، والتعرض للبيئات العدائية. التفاعلات الجلفانية مهمة—فالسبائك 7051 أنودية بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ لكنها قطبية بالنسبة للفولاذ العادي وسبائك النحاس؛ ينبغي تصميم القطع لتجنب الاتصال المباشر أو استخدام حواجز عازلة وطلاءات. بالمقارنة مع عائلات 5xxx و6xxx، تمنح 7051 قوة أعلى بكثير على حساب مقاومة التآكل الأصلية وقابلية تشقق التآكل الإجهادي ما لم تُصمم بشكل خاص لمواجهة هذه السلبيات.

خواص التصنيع

القابلية للحام

لحام 7051 تحدي عند درجات القوة القصوى لأن حرارة الإدخال تذيب الراسبات المعززة وتخلق منطقة متأثرة بالحرارة مخففة، مما يقلل القوة المحلية بشكل كبير. تنتج اللحامات بالقوس الكهربائي (TIG/MIG) عادة تليين HAZ وإجهادات متبقية عالية؛ تتوفر سبائك حشو مصممة لسلسلة 7xxx لكن اللحامات غالبًا ما تتطلب معالجة حرارية بعد اللحام أو تعويض تصميمي ميكانيكي. طرق الربط بال-state الصلب مثل لحام الاحتكاك والخفق مفضلة لأنها تحد من درجات الحرارة القصوى، وتتحكم في الميكروهيكل، وتوفر خواص وصلات متفوقة مقارنةً باللحام بالقوس لهذه العائلة.

القابلية للتشغيل

تُشغّل 7051 عمومًا بحذر؛ تشبه خواص التشغيل لسبائك 7xxx عالية القوة مع تآكل متوسط للأدوات وميول لتكوين الحواف المتراكمة إذا كانت سرعة التغذية أو القطع غير صحيحة. يوصى باستخدام أدوات كربيد ذات زاوية قاطعة موجبة وصلابة عالية، والسرعات القطعية المحافظة مقارنةً بدرجات الألومنيوم الأطرى تقلل العمل الحراري والتقسية وتحفّز على رقائق مستمرة. تشطيب السطح وإدارة الإجهادات المتبقية مهمة عندما تكون الأجزاء حرجة من حيث التعب أو تشقق التآكل الإجهادي، لذا فإن المرور التشطيبي وعمليات تخفيف الإجهاد شائعة.

القابلية للتشكيل

في الحالة الأنيلية O، 7051 قابلة للتشكيل ويمكن سحبها عميقًا أو ثنيها إلى أنصاف أقطار معتدلة، ولكن بعد المعالجة الحرارية إلى درجات عالية القوة تنخفض القابلية للتشكيل ويزداد الارتداد. يجب المحافظة على أنصاف أقطار ثني محافظة في درجات T6/T651، وعادةً ما تتم عمليات التشكيل في الحالة O أو الأنيلية الجزئية قبل المعالجة النهائية بالتحليل والشيخوخة. للأشكال المعقدة يمكن استخدام التشكيل الدافئ أو العمليات الفائقة اللدونة مع المعالجات الحرارية المسبقة واللاحقة، لكن ذلك يزيد من تعقيد وتكلفة العملية.

سلوك المعالجة الحرارية

7051 هي سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية تتبع مسار المعالجة الكلاسيكي بالتحليل، والتبريد السريع، والشيخوخة لتحقيق الخواص القصوى. تتراوح درجات حرارة التحليل النموذجية حول 470–480 °C مع تبريد سريع للحفاظ على محلول صلب مزدحم؛ تزداد حساسية التبريد مع زيادة سمك المقطع، لذا قد تتطلب القطاعات الثقيلة وسائط تبريد خاصة أو استراتيجيات تبريد متقطعة.

تستخدم الشيخوخة الصناعية لحالات القوة القصوى المشابهة لـT6 درجات حرارة في النطاق 120–180 °C لعدة ساعات لترسيب مراحل Mg-Zn الدقيقة. أما الشيخوخة المفرطة (سلاسل T7x/T73/T76) فتستخدم درجات حرارة أعلى أو أوقات أطول لتكبير الراسبات وتحسين مقاومة تشقق التآكل الإجهادي والثبات الحراري، مع فقدان بعض قوة الشد. تشير تسمية T651 إلى تخفيف الإجهاد عن طريق الشد بعد التبريد؛ وهي محددة عادة لتطبيقات الطيران حيث الاستقرار البُعدي وتقليل الإجهادات المتبقية مهم.

الأداء عند درجات الحرارة المرتفعة

تظهر 7051 فقدًا ملحوظًا في القوة عند درجات حرارة مرتفعة؛ فوق حوالي 120–150 °C تبدأ بنية التقسية بالترسيب في الشيخوخة المفرطة وتنخفض الخواص الميكانيكية. يسرع التعرض المستمر للحرارة في تكبير مراحل التقسية ويقلل من مقاومة الخضوع والتعب، لذلك تُحافظ درجات حرارة الخدمة القصوى النموذجية تحت ~120 °C للتحميل طويل الأمد.

الأكسدة قليلة مقارنةً بسبائك درجات الحرارة العالية مثل الفولاذ أو التيتانيوم، لكن تلحق تلف السطح وتغيرات اللون عند درجات أعلى. تظهر منطقة متأثرة بالحرارة من اللحام أو التعرض لدرجة حرارة مرتفعة ضعفًا في الخواص إلا إذا أُجريت عمليات حرارية لاحقة أو خطوات لشيخوخة مفرطة، لذا يجب التحكم في التعرض الحراري أثناء التصنيع للحفاظ على الأداء التصميمي.

التطبيقات

الصناعة	مكون نموذجي	سبب استخدام 7051
الطيران والفضاء	تركيبات جسم الطائرة، قواعد عالية القوة	نسبة قوة إلى وزن عالية، أداء جيد في التعب
الدفاع	هياكل الصواريخ والبالستيات	تقليل الوزن مع الحفاظ على القدرة الهيكلية
الرياضة الميكانيكية / الأداء السياراتي	عناصر الهيكل، مكونات هيكلية	قوة نوعية عالية لتقليل الوزن في الأجزاء الحساسة
البحرية	عناصر هيكلية عالية الأداء	عند الجمع مع درجات T7x والطلاءات لمقاومة تشقق التآكل الإجهادي
الإلكترونيات / إدارة الحرارة	إطارات هيكلية حيث الصلابة مهمة	موصلية حرارية جيدة مقارنة بالفولاذ مع كثافة أقل

يُستخدم 7051 عادةً حيث يجب تقليل كتلة المكون مع تلبية متطلبات أحمال ثابتة وتعب قاسية، وحيث يمكن للبيئة الإنتاجية توفير معالجة حرارية محكمة وحماية من التآكل. يتركز استخدام السبيكة في القطاعات التي تقبل تكاليف مواد وتصنيع أعلى مقابل مكاسب في الأداء.

نصائح اختيار

على المهندسين تقييم 7051 إسناد الأولوية له عندما تكون مقاومة الخضوع وقوة الشد العالية مع مقاومة تعب جيدة حاسمة، وعندما تكون طرق المعالجة (المعالجة الحرارية، التبريد، الطلاءات) محكمة التحكم. استخدم درجات الشيخوخة المفرطة T7x عند وجود قلق من تشقق التآكل الإجهادي أو التعرض البحري وعندما يمكن التضحية ببعض القوة مقابل الديمومة.

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا 1100، تضحي 7051 بالتوصيل الكهربائي والحراري وقابلية التشكيل مقابل زيادة كبيرة في القوة والصلابة. وبالمقارنة مع السبائك المشغولة مثل 3003 أو 5052، تقدم 7051 قوة أعلى بكثير لكنها عادة مقاومة تآكل أقل وقدرة تشكيل بارد أسوأ بكثير في درجات القوة القصوى. بالمقارنة مع السبائك الإنشائية القابلة للمعالجة الحرارية مثل 6061، تقدم 7051 عادة قوة شد وخضوع أعلى لتطبيقات هيكلية، لكن على حساب قابلية تشقق التآكل الإجهادي الأعلى ومتطلبات معالجة حرارية وربط أكثر صرامة؛ اختر 7051 عندما تفوق أقصى القوة وأداء التعب تلك المساومات.

ملخص ختامي

لا تزال 7051 ذات صلة بالهندسة الحديثة حيث تُطلب قوة إلى وزن استثنائية، قدرة تعب عالية، وثبات حالة حرارية مخصصة، وحيث يمكن لعمليات التصنيع أن تلائم جداول حرارية دقيقة وتدابير حماية من التآكل. دورها في الطيران والفضاء والتطبيقات الهيكلية عالية الأداء يؤكد القيمة المستمرة لمركبات الكيمياء الهندسية المحكمة لسلسلة 7xxx للتصميمات الهيكلية المتطلبة.