الألومنيوم 7076: التركيب، الخواص، دليل التصلب والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
7076 هي درجة عالية القوة من سبائك الألومنيوم من سلسلة 7xxx، وهي عائلة تسبك بشكل رئيسي بالزنك وتندرج ضمن سبائك عالية القوة وقابلة للمعالجة الحرارية وتستخدم بشكل أساسي في التطبيقات الجوية والفضائية. تعتمد مكوناتها الكيميائية على نظام الزنك-المغنيسيوم-النحاس الذي ينتج قوة عالية من خلال تقسية الترسيب، مما يجعلها من أعلى درجات سبائك Al-Zn-Mg(-Cu) المتاحة تجارياً.
العناصر الرئيسية في السبائك هي الزنك والمغنيسيوم، مع إضافة النحاس وعناصر أثرية (Cr, Ti, Zr) للتحكم في بنية الحبيبات، واستجابة التقادم، ومقاومة التآكل الموضعي. يتم تحقيق التقوية من خلال المعالجة الحرارية بالذوبان، التبريد السريع، والتقادم الصناعي اللاحق لترسيب مراحل MgZn2 المنتشرة بدقة؛ كما يلعب التقسية الميكانيكية دورًا ثانويًا في درجات H معينة.
السمات الأساسية تشمل مقاومة شد وخضوع عالية جداً لفولاذ الألمنيوم المشغول، مقاومة تآكل متوسطة إلى ضعيفة مقارنة بسلسلة 5xxx و6xxx، قابلية لحام محدودة دون فقدان في القوة بمنطقة التأثير الحراري (HAZ)، وقابلية تشكيل جيدة في درجات اللينة. تستخدم 7076 عادة في مكونات هياكل الطائرات، معدات الدفاع، السلع الرياضية عالية الأداء، ومكونات نقل متخصصة حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن والتصلب العالية مطلوبة.
يختار المهندسون 7076 على غيرها من السبائك عندما يكون تحقيق أعلى نسبة قوة إلى وزن أمرًا حرجًا وعندما تكون استراتيجيات المعالجة الحرارية بعد التصنيع وحماية التآكل (التغطية، الطلاءات، أو السبائك التضحية) مقبولة. تُفضّل على سبائك سلسلة 6xxx عندما تكون القوة القصوى المطلوبة أعلى، وعلى 7075 عندما توفر اختلافات طفيفة في الصلابة، وسلوكيات المعالجة، أو تعديلات التركيب الخاصة استخداماً أفضل.
الدرجات الحرارية (temper variants)
| الدرجة الحرارية | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | عالية (10–25%) | ممتازة | ممتازة (تتطلب معالجة قبل/بعد) | حالة مطيلة بالكامل للتشكيل |
| T4 | متوسطة | متوسطة (8–15%) | جيدة | محدودة | معالجة ذوبان وتقادم طبيعي |
| T6 | عالية | منخفضة إلى متوسطة (5–11%) | متوسطة | ضعيفة (ترقق كبير بمنطقة التأثير الحراري) | معالجة ذوبان وتقادم صناعي لأقصى قوة |
| T73 | متوسطة – عالية (مقاومة محسّنة لتآكل الإجهاد) | متوسطة (6–12%) | متوسطة | ضعيفة | تقادم زائد لتحسين المقاومة للتآكل وتآكل الإجهاد |
| T651 | عالية (إزالة الإجهاد المتبقي) | منخفضة إلى متوسطة (5–11%) | متوسطة | ضعيفة | T6 مع إزالة إجهاد عن طريق الشد |
| H2X / H3X (درجات معالجة بالإجهاد) | متغيرة | متغيرة | متغيرة | محدودة | معالجة إجهاد وجزئياً مطيلة خصيصاً لخصائص معينة |
اختيار الدرجة الحرارية يؤثر بشدة على الأداء: المعالجة بالذوبان والتقادم الصناعي (عائلة T6) تزيد إلى أقصى حد من مقاومات الخضوع والشد على حساب الليونة وقابلية اللحام. الدرجات الحرارية ذات التقادم الزائد مثل T73 تضحي بجزء من قوة الذروة لتحسين كبير في مقاومة تآكل الإجهاد والأداء في البيئات العدائية.
لعمليات التشكيل التي تتطلب تشوه بلاستيكي عالي (الطرق العميق، الثني الشديد)، يُفضّل استخدام درجات O المطيلة أو T4 ذات التقادم الخفيف؛ ويمكن استعادة القوة النهائية بواسطة معالجة حرارية كاملة إذا سمحت متطلبات التصميم.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | ≤ 0.40 | شائبة، تتم السيطرة عليها لتقليل الهشاشة وعيوب الصب |
| Fe | ≤ 0.50 | متحكم فيه؛ الحديد العالي قد يكوّن مركبات بينية تقلل من المتانة |
| Mn | ≤ 0.30 | عنصر ثانوي؛ يساعد في التحكم في بنية الحبيبات في بعض الدرجات |
| Mg | 2.0–3.0 | عنصر تقوية رئيسي يشكل راسب MgZn2 |
| Cu | 1.2–1.9 | يعزز القوة ويؤثر على استجابة التقادم؛ يزيد من قابلية تآكل الإجهاد |
| Zn | 5.6–7.0 | العنصر الأساسي المزود للقوة في سبائك سلسلة 7xxx |
| Cr | 0.18–0.35 | سبائك دقيقة للتحكم في الحبوب ومنع إعادة التبلور |
| Ti | ≤ 0.20 | مكرر للحبوب في عمليات الصب أو التشغيل |
| عناصر أخرى (Zr, Sc, Ni, Pb) | ≤ 0.05 لكل منها، والباقي Al | إضافات طفيفة في دفعات متخصصة لتعديل الخواص |
تحكم نسب Zn وMg وCu في الأداء الميكانيكي ومقاومة التآكل للسبائك: حيث يشكل Zn وMg راسب MgZn2 المعزز للقوة بعد التقادم، بينما يعزز Cu القوة القصوى ويؤثر على مسارات الترسيب. تستخدم مكررات الحبيبات (Ti، Zr) ومكونات التشتت (Cr، Zr) لتثبيت الميكروهيكل أثناء العمليات الحرارية والميكانيكية وتقليل إعادة التبلور، مما يؤثر بدوره على المتانة ومقاومة تآكل الإجهاد.
الخواص الميكانيكية
سلوك الشد لسبائك 7076 يشابه سبائك سلسلة 7xxx عالية القوة: مقاومات خضوع وشد نهائية مرتفعة جداً بعد التقادم الصناعي مع استطالة موحدة منخفضة نسبيًا. في الدرجات ذات التقادم الذروي، تميل طريقة الكسر إلى دمج تمزق لحمي عابر الحبيبات وميزات بين الحبيبات حيث تتواجد الراسبات الخشنة والمراحل على حدود الحبوب؛ وهذا التأثيرات الميكروهيكلية تؤثر على بدء وتطور تشقق التعب.
تعتمد مقاومة الخضوع بشكل قوي على الدرجة الحرارية وسمك المقطع: تصل المواد الرقيقة T6 تقريباً إلى أقصى تقسية ترسيب، في حين تظهر القطاعات السميكة أو مناطق التأثير الحراري للحام قوة احتفاظ أقل. أداء التعب جيد ضمن العائلة عند الانتهاء الجيد للأسطح وتجنب تجاويف التآكل؛ كما تحسن المعالجات السطحية والتقسية بالرشق (shot peening) بشكل كبير من عمر التعب لدورات عالية.
الصلادة تتناسب مع مقاومة الشد والخضوع: المواد المطيلة O ناعمة نسبياً وسهلة التشغيل، بينما تصل درجات T6/T651 إلى قيم صلادة عالية لكنها تعاني من انخفاض اللدونة وزيادة في تآكل أدوات التشغيل. تؤثر الزيادة في السمك بشكل ملحوظ: تقل الخصائص الأقصى بعد التقادم مع زيادة سماكة المقطع بسبب انخفاض سرعة التبريد وتكوين الراسبات الخشنة.
| الخاصة | O / مطيلة | الدرجة الرئيسية (مثل T6/T651) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | ~240–320 MPa | ~540–620 MPa | قيمة T6 نموذجية للمنتجات الرقيقة المشغولة؛ تختلف حسب الحرارة والمعالجة |
| قوة الخضوع | ~120–200 MPa | ~480–560 MPa | تزداد بشكل كبير مع التقادم الصناعي |
| الاستطالة | ~10–25% | ~5–11% | تنخفض الاستطالة مع زيادة درجات القوة |
| الصلادة (HB) | ~60–95 HB | ~150–190 HB | تتناسب مع كثافة الراسبات؛ تختلف حسب الاختبار وسمك المقطع |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصة | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.78 جم/سم³ | قيمة نموذجية لسبائك Al-Zn-Mg-Cu عالية القوة؛ أقل كثافة من الفولاذ |
| نطاق الانصهار | صلب ~470–490 °C؛ سائل ~635–650 °C | فاصل انصهار واسع بسبب العناصر المسبكة |
| التوصيل الحراري | ~120–150 واط/م·ك | منخفض مقارنة بالألمنيوم النقي لكنه جيد للتبريد مقارنة بالعديد من المعادن |
| التوصيل الكهربائي | ~28–38 % IACS | أقل توصيلة مقارنة بسلسلة 1xxx و6xxx بسبب وجود السبائك |
| السعة الحرارية النوعية | ~0.88–0.90 جول/جم·ك | قيمة نموذجية لسبائك الألمنيوم عند درجة حرارة الغرفة |
| التوسع الحراري | ~23–24.5 ميكرومتر/م·ك (20–100 °C) | مماثل لسبائك الألمنيوم الأخرى؛ يُؤخذ في الاعتبار عند التصميم للدوائر الحرارية |
تُقدّم 7076 مزيجاً مناسباً من الكثافة المنخفضة والتوصيل الحراري المعقول، مما يجعلها جذابة في التطبيقات التي تتطلب إدارة حرارية وحساسية للوزن. يجب اعتبار التوسع والتوصيل الحراري للسبائك عند تجميع مكونات من مواد مختلفة، وخصوصاً في درجات الحرارة المرتفعة، لأن الاجهادات الحرارية المختلفة قد تُسبب تركيزات إجهاد تؤثر على متانة التركيب.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك القوة | المعالجات الحرارية الشائعة | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| الألواح | 0.5 mm – 6 mm | تحقق تقريباً خصائص الذروة T6 في السماكات الرقيقة | O, T4, T6, T651, T73 | شائعة لجلود وألواح الطائرات؛ القابلية للتشكيل تعتمد على المعاملة الحرارية |
| الصفيحة | 6 mm – 150 mm+ | تنخفض الخصائص القصوى في القطاعات السميكة؛ تتطلب تبريدًا محكماً | T6, T651, T73 | يحتاج الصفيح السميك إلى ضوابط عملية لتجنب القلب اللين أو ترسيبات خشنة |
| البثق | بروفيلات معقدة، أقطار تصل إلى عدة مئات من mm | تتأثر الخصائص بالتبريد والتجانس | T6, T651 | تستخدم للبروفيلات الإنشائية؛ البنية المجهرية تعتمد على كيمياء القضيب وسرعة البثق |
| الأنابيب | جدران رقيقة إلى سميكة | اتجاهات تصلب الشيخوخة مشابهة؛ تصميم اللحام/وصلات حرج | T6, T651 | أنابيب مسحوبة أو معصورة لمكونات هيكلية؛ التلدين شائع قبل التشكيل |
| القضبان/الم القضبان | أقطار من 3 mm – 200 mm | قابلية تشغيل جيدة في حالة O؛ القوة تزداد بعد الشيخوخة | O, T6, T651 | تستخدم بالمسامير، والتجهيزات، والأجزاء المشغلة |
مسار التشكيل وشكل المنتج يؤثران بشدة على الخصائص الممكن تحقيقها: يمكن للألواح والبثقات الرقيقة أن تصل إلى قوة T6 كاملة بشكل موثوق، بينما تتطلب الصفيحات السميكة والقطع الكبيرة غالبًا دورات تبريد وشيخوخة متخصصة لتجنب تدرجات الخصائص. اختيارات المعالجة—مثل الشيخوخة المسبقة، وسائل التبريد المحكم، وتمدد إزالة الإجهاد—حرجة لضمان الاستقرار الأبعاد والتناسق الميكانيكي عبر أشكال المنتجات.
الدرجات المعادلة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 7076 | الولايات المتحدة الأمريكية | تعيين Aluminum Association؛ المرجع الأساسي للتكوين والمعالجات الحرارية |
| EN AW | 7076 (تقريبًا) | أوروبا | تعيين EN يتوافق غالبًا لكن حدود وتكويدات المعالجة قد تختلف |
| JIS | A7076 (تقريبًا) | اليابان | قد لا يكون لـ JIS نظير مباشر لجميع الشحنات؛ تحقق من شهادات المواد المحلية |
| GB/T | 7076 (تقريبًا) | الصين | توفر المعايير الصينية تركيبات مشابهة قريبة؛ تحقق من اختلافات المواصفات الميكانيكية |
يجب إجراء مطابقة الدرجات المعادلة بحذر: حدود الكيمياء وتعريفات المعالجات في معايير EN وJIS وGB/T لا تطابق دائمًا جداول AA دقيقة، والمشتقات الفرعية مع السبائك الدقيقة (Zr, Sc) أو نسب Cu/Mg المعدلة قد تؤدي إلى معالجة وأداء مختلف ماديًا. يجب على المهندسين مقارنة تقارير الاختبارات الكيميائية والميكانيكية المعتمدة بدلاً من الاعتماد فقط على أسماء الدرجات الاسمية عند استبدال مصادر المواد بين المناطق.
مقاومة التآكل
يظهر 7076، مثل سبائك سلسلة 7xxx عالية الزنك، مقاومة معتدلة لتآكل الغلاف الجوي لكنه أكثر عرضة للتآكل الموضعي وتشققات التآكل بالإجهاد (SCC) مقارنة بسلسلة 5xxx والعديد من سبائك 6xxx. في الأجواء المحايدة، يؤدي السبيكة غير المحمية أداءً كافياً، ولكن في البيئات الصناعية أو البحرية تتطلب طبقات حماية، أو تغليف (مثل Alclad)، أو حماية كاثودية لتحقيق عمر طويل.
في الخدمة البحرية والبيئات الغنية بالكلوريد، يمكن أن يبدأ التآكل الحبيبي والهجوم بين الحبيبي في مناطق منخفضة الترسيب مجاورة لحدود الحبيبات، خاصة في معالجات الذروة. وتُستخدم طرق تقليل الحساسية مثل المعالجة الزائدة (معالجات T73/T76 المماثلة) والسباكة الدقيقة (إضافات Cr، Zr) لتقليل حساسية SCC وتحسين المقاومة لتآكل الكلوريد.
تتبع التفاعلات الجلفانية سلوك الألمنيوم النموذجي: عندما تُقترن مع معادن أكثر نبلاً (الفولاذ المقاوم للصدأ، النحاس)، فإن 7076 يتآكل تفضيليًا ولذلك يتطلب العزل الكهربائي أو الأنودات القربانية في التجميعات المختلطة المعادن. مقارنةً بسبائك 3xxx/5xxx، يتبادل 7076 أداء التآكل مقابل القوة؛ وبالمقارنة مع سبائك 6xxx فهو أقوى عمومًا ولكنه أكثر حساسية لـ SCC ما لم تُعالج بشكل خاص.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
لحام سبائك 7xxx عالية القوة يمثل تحديًا: تُنتج طرق اللحام بالانصهار (GMAW/MIG، GTAW/TIG) عادة تليين منطقة تأثر الحرارة وفقدان القوة بسبب ذوبان أو تكتل الترسيبات. غالباً ما تكون المعالجات الحرارية قبل وبعد اللحام غير عملية للتجميعات، لذلك تُستخدم الوصلات المبرشمة أو المثبتة ميكانيكيًا في التطبيقات الهيكلية الحرجة. عند الحاجة للحام، يمكن استخدام سبائك طبقة إضافة منخفضة القوة (مثل 5356 أو 4043) وإجراءات محكومة لإنتاج وصلات مقبولة للهيكليات الثانوية، مع الأخذ بالاعتبار تقليل قوة الوصل وزيادة الحساسية لـ SCC.
قابلية التشغيل
قابلية التشغيل في الحالة المُلدَّنة (O) جيدة: تُشغل السبائك مشابهة لسبائك الألمنيوم عالية القوة الأخرى، مع إنتاج رقائق قصيرة ومكسورة باستخدام أدوات مناسبة. في حالات الذروة، يزداد تآكل الأدوات بسبب القوة والصلابة العالية؛ يُنصح باستخدام أدوات كربيد بزاوية تقطيع موجبة كبيرة وتطبيق مكثف للمبرد. مؤشر قابلية التشغيل معتدل؛ يجب تعديل السرعات والتغذية للحفاظ على جودة السطح وعمر الأداة.
قابلية التشكيل
تتأثر قابلية التشكيل بشكل كبير بالمعالجة الحرارية: تتمتع الحالات O وT4 بقابلية انحناء وسحب جيدة، مما يمكن من عمليات التشكيل النموذجية للألواح مع حدود نصف قطر انحناء معقولة (مثل 2-4× السماكة للانحناء الهوائي حسب الأدوات). تتمتع المادة بحالة T6/T651 بقابلية تشكيل بارد محدودة ومعرضة للتشققات عند الانحناء دون إزالة إجهاد؛ يستخدم التشكيل الدافئ ودورات التلدين بالتحليل والشيخوخة عند الحاجة إلى أشكال معقدة وقوة نهائية عالية.
سلوك المعالجة الحرارية
يعتبر 7076 من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية بشكل قاطع: إذابة المواد السبائكية في محلول صلب فائق التشبع تتم عادة في نطاق 470-480 °C مع وقت نقع مناسب لسماكة القطعة. يتطلب التبريد السريع (تبريد مائي أو تبريد بوليمري محكم) للحفاظ على مستوى عالي من التشبع، يتبعه دورات شيخوخة صناعية لترسيب المراحل المقوية.
يحدث التشيخوخ الصناعي إلى T6 عادةً عند ~120-125 °C لفترات زمنية مضبوطة لاستهداف الخصائص الميكانيكية؛ وتقلل المعالجات بدرجة حرارة أعلى (معالجات T73/T76) من القوة القصوى لكنها تحسن بشكل كبير مقاومة تشققات التآكل بالإجهاد واستقرار المادة عند درجات حرارة مرتفعة. تضيف معالجة T651 تمددًا خاضعًا للتحكم لإزالة إجهادات التبريد المتبقية مع الحفاظ على خصائص الذروة.
لعمليات الاعتماد على التقسية بالعمل مثل معالجات H، يمكن استخدام شيخوخة الإجهاد والتلدين الجزئي لتفصيل الخصائص المتوسطة؛ ومع ذلك، فإن المسار السائد لتصميم 7076 هو عبر دورات المعالجة بالتحليل والشيخوخة بدلاً من تقسية العمل البارد.
الأداء في درجات الحرارة العالية
تنخفض قوة 7076 مع زيادة درجة الحرارة: يحدث تليين كبير فوق ~120-150 °C، ويعجل التعرض الطويل فوق ~100-120 °C بالشيخوخة الزائدة وفقدان خصائص الخضوع والشد. مقاومة الانصهال محدودة مقارنة بالسبائك ذات الحرارة العالية؛ يمكن تحمل التعرض القصير لأعلى درجات الحرارة لكن التقلبات الحرارية الدورية قد تقلل من عمر التعب والثبات الأبعادي.
يكون التأكسد ضئيلاً في درجات الحرارة النموذجية للخدمة الهيكلية، لكن التعرض العالي للحرارة يمكن أن يزيد من تكتل الترسيبات وتطور مراحل حدود الحبوب، مما يزيد من خطر SCC ويقلل من المتانة. مناطق تأثر الحرارة الناتجة عن اللحام أو التسخين الموضعي حساسة جدًا لتدهور الخصائص ويجب تقليلها أو معالجتها حراريًا لاحقًا عند الإمكان.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 7076 |
|---|---|---|
| الفضاء الجوي | تجهيزات الأجنحة، نقاط التثبيت والقطعات المشكّلة الهيكلية | نسبة قوة إلى وزن عالية وأداء إجهاد ممتاز للأجزاء التي تتحمل الأحمال |
| البحرية | عناصر هيكلية للسفن فائقة الأداء | القوة مقترنة بإستراتيجيات مناسبة للوقاية من التآكل |
| الدفاع | مكونات الأسلحة الصغيرة والذخائر | قوة عالية ومتانة للأجهزة الحرجة |
| السيارات | مكونات نظام التعليق عالية الأداء | تمكين مكونات خفيفة الوزن وصلبة حيث يكون توفير الوزن أولوية |
| الرياضة/الترفيه | هياكل دراجات عالية الجودة ومعدات السباق | أقصى قوة نوعية وصلابة من بين خيارات السبائك |
| الإلكترونيات | هياكل هيكلية وبعض أجزاء إدارة الحرارة | موازنة بين التوصيل الحراري والكثافة المنخفضة للتجميعات الحساسة للوزن |
يُختار 7076 حيث الحاجة لقوة ثابتة عالية جدًا وأداء إجهاد بالنسبة للوحدة الوزن، وحيث يمكن تطبيق إجراءات تصنيع وحماية من التآكل مناسبة. هو شائع بشكل خاص في الهياكل الأولية والثانوية للطائرات حيث تتفوق ميزاته الميكانيكية على تكاليف المعالجة الإضافية.
نصائح للاختيار
يناسب 7076 عندما تكون نسبة القوة إلى الوزن هي المحرك الرئيسي للتصميم، وعندما يمكن للمستخدمين قبول إجراءات تصنيع وحماية من التآكل أكثر تقييدًا. يُنصح باستخدام 7076 للأجزاء الهيكلية شديدة التحميل التي ستُعالَج حراريًا بعد التشكيل أو حيث يكون المعالجة اللاحقة للحماية من التآكل روتينية.
بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجارياً (1100)، يوفر 7076 قوة أعلى بكثير مقابل انخفاض في الموصلية الكهربائية والحرارية وتقليل القدرة على التشكل البارد؛ استخدم 1100 عندما تكون الموصلية أو قابلية السحب العميق أولوية. بالمقارنة مع السبائك المشدودة بالعمل مثل 3003 أو 5052، يقدم 7076 قوة قصوى أعلى بكثير لكنه يتطلب تدابير أكثر صرامة للحد من التآكل ويكون أقل تحملاً للّحام والتشكيل البارد. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061/6063، يوفر 7076 مقاومة شد وقوة خضوع أعلى في الحالات الحرارية القصوى ولكنه غالبًا ما يكون بتكلفة أعلى، مقاومة تآكل أقل، وصعوبة أكبر في اللحام؛ يُفضّل استخدام 7076 عندما تبرر القوة الإضافية تلك المساومات في المعالجة والحماية.
الملخص الختامي
يظل 7076 سبائك ألومنيوم عالية الأداء ذات صلة حيث يتطلب الأمر نسبة قوة إلى وزن فائقة، ويمكن لعمليات التصنيع التحكم في المعالجة الحرارية واللحام والحماية من التآكل؛ ويكمن تخصصه في التطبيقات الهيكلية الدقيقة التي تقبل المساومات الهندسية مثل تقليل قابلية اللحام وارتفاع إدارة التآكل مقابل مكاسب الأداء.