الألومنيوم 771: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل المعالجات والحالات، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 771 تنتمي إلى عائلة سبائك الألومنيوم من سلسلة 7xxx، والتي تعتمد أساسًا على نظام الألومنيوم-الزنك-المغنيسيوم (وأحيانًا النحاس) المصممة لتحقيق قوة عالية من خلال التقسية بالتساقط. التركيبة الكيميائية الاسمية تركز على Zn كعنصر رئيسي مضاف إلى جانب Mg و Cu لتعزيز ترسيب الجسيمات المعالجة (age-hardening)، مع إضافات ضئيلة من Cr أو Zr أو Ti تُستخدم لتحسين هيكل الحبوب والسيطرة على إعادة التبلور.

آلية التقسية لسبائك 771 تعتمد على المعالجة الحرارية بالتقسية بالتساقط: حيث يحل التسخين أولا العناصر المضافة في المحلول، ثم التبريد السريع يحبس محلول صلب مشبع فوق الحد الطبيعي، ومن ثم يجرى التشيخ الاصطناعي الذي ينتج جسيمات دقيقة ومتفرقة من η (MgZn2) والمرتبطة بها، مما يرفع من مقاومة الخضوع ومقاومة الشد. من السمات الرئيسية لهذه السبائك نسبة قوة إلى وزن عالية، مقاومة تآكل داخلية من متوسطة إلى منخفضة ما لم تُعالَج ضد التقدم في العمر الزائد أو تغطى بطبقات حامية، وقابلية لحام محدودة عند درجات حرارة الذروة، بالإضافة إلى ضعف قابلية التشكل بدرجة حرارة الغرفة مقارنة بسبائك 5xxx و6xxx.

الصناعات النموذجية التي تستخدم 771 تشمل الطيران لتصنيع التجهيزات والمكابس الهيكلية عالية الإجهاد، السيارات عالية الأداء لأجزاء هيكلية وأجزاء تعليق، البحرية حيث تحتاج التجهيزات العالية القوة إلى طبقات حماية، والمعدات الرياضية المتخصصة التي تتطلب صلابة وخفة وزن عالية. يختار المهندسون 771 على سبائك أخرى عندما يتطلب التصميم دمج قوة ثابتة مرتفعة مع مقاومة عالية للإجهاد مع التركيز على تقليل الكتلة، مع قبول بعض التنازلات في عمليات التصنيع وإدارة التآكل.

أنواع التصلب (Temper Variants)

نوع التصلب	مستوى القوة	التمدد	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	مرتفع	ممتاز	ممتاز	مخدد بالكامل، أقصى لدونة للتشكيل
T4	متوسط	متوسط	جيد	مخفض	عُمر طبيعياً بعد التبريد السريع؛ قوة متوسطة
T6	مرتفع	منخفض إلى متوسط	ضعيف إلى مقبول	ضعيف	معالجة محلول + تقسية اصطناعية للوصول إلى أقصى قوة
T73	متوسط إلى مرتفع	محسّنة	مقبول	ضعيف	تقدم في العمر الزائد لتحسين مقاومة تآكل التشققات (SCC) والتآكل
T651	مرتفع (مُثبت)	منخفض إلى متوسط	ضعيف إلى مقبول	ضعيف	تخفيف الإجهاد عبر الشد بعد T6 لتقليل الإجهادات الباقية
H12 / H14	متوسط	منخفض إلى متوسط	محدود	جيد	تصلب عبر التشوه للصفائح مع زيادات متدرجة في القوة

اختيار نوع التصلب يؤثر بشكل كبير على خصائص السبائك الميكانيكية وسلوك التصنيع. درجات التصلب الأعلى مثل T6 تعطي أعلى قوة ثابتة ومقاومة للإجهاد، لكنها تقلل بشكل ملحوظ من الاستطالة وقابلية الثني مما يجعل التشغيل والتشكيل أكثر تحدياً ويزيد من قابلية حدوث تآكل التشققات نتيجة الإجهاد.

درجات التصلب المعالجة بعمر زائد (T73 أو درجات مثبتة مثل T651) تضحي ببعض القوة القصوى مقابل تحسين مقاومة التآكل ومقاومة التشقق، وتستخدم عندما تكون المتانة البيئية أو مقاومة تآكل التشققات أكثر أهمية من مقاومة الخضوع المطلقة.

التركيب الكيميائي

العنصر	النطاق النسبي (%)	ملاحظات
Al	الباقي	الفلز الأساسي؛ الباقي بعد الإضافات
Zn	5.5–7.5	العنصر الرئيسي للتقوية، يشكل ترسيبات MgZn2
Mg	1.6–3.0	يتحد مع Zn لتعزيز التقسية بالتقادم؛ يؤثر على الدونة
Cu	1.0–2.2	يزيد القوة ويحسن مقاومة الزحف؛ قد يقلل مقاومة التآكل
Cr	0.05–0.25	مسيطر على هيكل الحبوب ومثبط لإعادة التبلور
Ti	0.01–0.15	مكرر للحبوب في المصبوبات والسبائك الخام
Fe	≤0.5	شوائب تشكل مركبات بين فلزية؛ تتحكم للحد من القساوة
Si	≤0.5	شوائب من عمليات التصنيع؛ محدودة لتجنب تكوين مراحل هشة
Mn	≤0.3	يساهم بشكل طفيف في القوة وسلوك التآكل
Zr / أخرى	0.01–0.25	عناصر تصغير الحبوب وتحسين الثبات الحراري اختيارية

توازن Zn–Mg–Cu يحدد تسلسل الترسيب وحجم وتوزيع الجسيمات المقوية في 771. الزنك والمغنيسيوم يتحكمان في أعلى قوة عن طريق ترسيبات η′/η، بينما النحاس يحسن هيكل الترسيبات ويرفع القوة على حساب زيادة الحساسية للتآكل الموضعي. العناصر النزرة مثل الكروم والزركونيوم تعمل كمثبطات لإعادة التبلور وعوامل تحكم في التكوين مما يحسن الاستقرار خلال العمليات الحرارية-الميكانيكية ويساعد على الحفاظ على ميكروهيكل حبيبي دقيق لتعزيز المتانة.

الخصائص الميكانيكية

باعتبارها سبيكة من سلسلة 7xxx يمكن معالجتها حرارياً، فإن 771 يظهر سلوكاً ميكانيكياً واسع النطاق يعتمد على نوع التصلب والسمك. في حالة التليين (O) توفر دونة وقابلية تشكيل جيدة مع مقاومة خضوع وشد منخفضة نسبيًا، مما يجعلها مناسبة للتشكيل الثقيل وعمليات الشد. في حالات العمر الاصطناعي عند الذروة (T6/T651) ترتفع مقاومة الشد والخضوع بشكل كبير مع انخفاض متوقع في الاستطالة وقابلية الانحناء؛ وتكون مناطق تأثير الحرارة (HAZ) أو اللحامات لينة ما لم تتم المعالجة الحرارية بعد اللحام.

مقاومة الإجهاد للسبائك 771 في درجات تصلب الذروة عادة ممتازة عند التحكم الدقيق في الميكروهيكل والحفاظ على حالة السطح؛ مع ذلك، فإن أداء الإجهاد حساس جداً للتشققات التآكلية وآثار المعالجة التي تعتبر مراكز لنشوء الشقوق. يؤثر السمك على الخصائص الممكن تحقيقها: الأجزاء السميكة أصعب في تحقيق معالجة محلول وتبريد متجانس بالكامل مما قد يقلل القوة الفعالة ويزيد من التشتت في الخصائص بالنسبة للألواح والمكابس مقارنة بالصفائح الرقيقة والمقاطع.

الخاصية	الحالة O/مُلينة	تصلب رئيسي (مثل T6/T651)	ملاحظات
مقاومة الشد	240–320 MPa	540–660 MPa	قوى ذروة نموذجية لسبائك الألمنيوم عالية القوة من نوع Al-Zn-Mg-Cu
مقاومة الخضوع	120–210 MPa	470–600 MPa	زيادة كبيرة بعد المعالجة الحرارية؛ تعتمد على سمك المقطع
التمدد	12–20%	6–12%	الدونة تقل في درجات التصلب الذروة؛ الدرجات الأقدم (T73) تستعيد بعض الدونة
الصلادة	60–90 HB	150–210 HB	الصلادة تعتمد على حالة الترسيب وثبات التصلب

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.78 g/cm³	نموذجية لسبائك الألومنيوم عالية القوة؛ تسهم في نسبة قوة إلى وزن عالية
نطاق الانصهار	~480–635 °C	نطاق الصلادة إلى السائلة يعتمد على محتوى السبائك؛ سلوك الانصهار يتسع بوجود العناصر المضافة
التوصيل الحراري	120–150 W/(m·K)	أقل من الألمنيوم النقي بسبب السبائكية؛ كافٍ للعديد من تطبيقات تبديد الحرارة
التوصيل الكهربائي	~28–40 % IACS	منخفض مقارنةً بالألومنيوم النقي بسبب تشتيت المذاب
السعة الحرارية النوعية	~0.9 J/(g·K)	تقريباً 900 J/(kg·K)؛ مفيدة لحسابات التصميم الحراري
المعامل الخطي للتوسع الحراري	~23–24 µm/(m·K)	قريب من قيم سبائك الألومنيوم الأخرى

الكثافة والخصائص الحرارية تجعل 771 جذابة عندما يتطلب الأمر قوة عالية مع توصيل حراري معتدل، مثل الأجزاء الهيكلية خفيفة الوزن التي قد تحتاج أيضاً لتبديد الحرارة. تُضحى التوصيل الكهربائي مقارنة بالألمنيوم النقي والسبائك من سلسلة 1xxx، لذلك نادرًا ما يُختار 771 كموصل كهربائي أساسي؛ بل يُفضل حيث يكون الأداء الميكانيكي لكل وحدة وزن هو المعيار الأساسي.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المطابقة الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	يمكن إنتاجها بحالات O، T4، T6	O, T4, T6, T73	الألواح الرقيقة تحقق شيخوخة متجانسة وقوة عالية بعد المعالجة T6
صفائح	6–200 mm	قد تنخفض القوة مع زيادة السماكة بسبب قيود التبريد	O, T6, T651	الصفائح السميكة تتطلب طرق تبريد محكمة؛ تُستخدم في فورجات وأعضاء إنشائية
بروفيلات مسحوبة (Extrusion)	مقاطع حتى 200 mm	قوة اتجاهية جيدة؛ تعتمد الخواص على التبريد	O, T4, T6	المقاطع المسحوبة تسمح بأشكال معقدة مع صلابة ثابتة عالية
أنابيب	سماكة الجدار 0.5–25 mm	قوة مماثلة للألواح عند المعالجة الحرارية	O, T6	خالية من اللحام أو ملحومة؛ سماكة الجدار تؤثر على استجابة المعالجة الحرارية
قضبان/أعمدة	القطر 5–200 mm	خصائص الاحتكاك والتآكل تختلف حسب الحالة الحرارية	O, T6	قضبان مصبوبة أو مدرفلة تُستخدم في وصلات التحميل العالي والبراغي

مسار المعالجة يؤثر بشدة على التركيب الدقيق والخواص الناتجة؛ تختلف المنتجات المصبوبة عن المطروقة في حجم الحبيبات ومحتوى الشوائب عند التسليم. الألواح والمسحوبات الرقيقة أسهل في تحقيق التصلب الكامل والتبريد السريع مما يعطي خواص T6 أكثر اتساقًا، بينما الصفائح الثقيلة والفورجات الكبيرة تحتاج غالبًا إلى تجهيزات تبريد خاصة، تبريد متقطع، أو حالات معالجة معدّلة للحد من الإجهادات المتبقية والحفاظ على المتانة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	771	الولايات المتحدة	تسمية مستخدمة في بعض كتالوجات المصنعين؛ تنتمي لعائلة سبائك Al-Zn-Mg-Cu عالية القوة
EN AW	—	أوروبا	لا يوجد تطابق دقيق 1:1 في قائمة EN؛ قريبة من عائلات EN AW-7075/7010 مع تعديل التركيب
JIS	—	اليابان	توجد سبائك Al-Zn-Mg-Cu عالية القوة مشابهة، لكن المكافئ المباشر يتطلب مطابقة تركيبية
GB/T	—	الصين	توجد مكافئات محلية في سلسلة Al–Zn–Mg؛ مع اختلافات في حدود الشوائب والحالات الحرارية

المرجعيات المباشرة بين المعايير الوطنية ليست دائمًا مطابقة للدرجات الخاصة أو الأقل شيوعًا مثل 771. فروق طفيفة في حدود الشوائب، الإضافات المعدنية الدقيقة (مثل Zr مقابل Ti)، والحالات الحرارية المقررة قد تؤدي إلى فروق مسجلة في مقاومة التصدع الناتج عن الإجهاد SCC وصلابة الانكسار. على المهندسين مقارنة المواصفات الكيميائية والحالات الحرارية بالكامل بدل الاعتماد فقط على تسمية الدرجة عند استبدال المواد بين المناطق.

مقاومة التآكل

في البيئات الجوية يُظهر 771 مقاومة معتدلة عند الطلاء المناسب، الأنودة أو المعالجة بالتشيُّخ الزائد، لكن قابلية تأثره بالتآكل الموضعي والتآكل الحُبيبي أعلى مقارنةً بسوائل ألومنيوم المنغنيز (3xxx) أو المغنيسيوم (5xxx). وجود النحاس ونسبة الزنك العالية يزيدان من النشاط الكهروكيميائي للسبيكة ويركزان الفولتية الجلفانية، لذا فإن الطلاءات الواقية أو التبطين معدنية شائعة في كثير من التطبيقات.

في البيئات البحرية أو النشطة بالكلوريد، يتطلب 771 اعتبارات خاصة: الهجوم الموضعي والتصدع الناتج عن التآكل تحت الإجهاد (SCC) هما السبب الرئيسي للخلل، خصوصًا في الحالات الحرارية ذروتها. تقنيات التشيُّخ الزائد (T73) والمعالجات السطحية الوقائية تخفف من خطر SCC، لكن المصممين غالبًا يتجنبون استخدام الحالة T6 في التعرض الملحي العدواني ما لم تتوفر حماية تضحية أو أنظمة حامية كهربائية.

التفاعلات الجلفانية مع المعادن المختلفة أكثر نشاطًا في 771 مقارنة بسبائك الألومنيوم الأقل نشاطًا بسبب جهد الدائرة المفتوحة الأعلى؛ لذلك وقاية معزولة عن الفولاذ المقاوم للصدأ أو النحاس وتصميم وصلات حذرة ضرورية. مقارنة بسلسلة 6xxx (مثل 6061)، يقدم 771 قوة أعلى لكنه عادةً أقل مقاومة أساسية للتآكل ويحتاج إلى تدابير وقائية أكبر في الخدمة المكشوفة.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

لحام 771 تحدي في الحالات ذروتها حيث تمر منطقة لحام وتأثير الحرارة المحيطة بها (HAZ) عادةً بامتصاص وترسيب ذوابة للمواد المصلبة وقد لا تستعيد قوتها بدون معالجة حرارية ما بعد اللحام. طرق اللحام بالاندماج (TIG/MIG) ممكنة لكنها تحتاج إلى سبائك حشو متخصصة وغالبًا ما تؤدي إلى تليين HAZ وانخفاض عمر التعب؛ تُختار السبائك الحشو لتحقيق التوازن بين القوة والليونة وغالبًا تشمل سبائك Al-Mg أو Al-Mg-Si لتقليل احتمال التشقق الحار. مقاومة التشقق الحار هي قيد تصميم حاسم، وتُستخدم معالجات حرارية قبل وبعد اللحام ودورات حرارية محكومة لتقليل الإجهادات المتبقية وفقدان القوة.

قابلية التشغيل

يُظهر 771 قابلية تشغيل جيدة إلى جيدة جدًا ضمن سبائك الألومنيوم عالية القوة، غالبًا مماثل لـ 7075؛ يُشغل نظيفًا بأدوات مناسبة واستراتيجيات تبريد فعالة. يُفضّل استخدام أدوات كربيد السرعة المتوسطة إلى العالية مع زوايا قاطعة إيجابية لإنتاج رقائق قصيرة وقابلة للتحكم؛ يجب تحسين التغذية لتجنب الاهتزاز والحفاظ على جودة السطح وسلامة السطح المقاومة للتعب. تشطيب السطح والإجهادات الضاغطة المتبقية الناتجة عن التشغيل تؤثر كثيرًا على أداء التعب ويجب التحكم بها عبر معلمات العملية والتمريرات النهائية.

القابلية للتشكيل

التشكيل يفضل أن يتم في الحالات منخفضة القوة (O أو T4) حيث تكون اللدونة في أعلى مستوياتها؛ التشكيل البارد الشديد في حالة T6 غير موصى به بسبب محدودية الاستطالة وزيادة خطر التشقق. نصف قطرات الانحناء الدنيا في T6 أكبر من مثيلاتها في سلسلة 5xxx، ويجب على المصممين التخطيط للاسترجاع الارتدادي وإمكانية عمليات التلدين الجزئي. للأشكال المعقدة، التشكيل الدافئ أو المعالجة بالحل يعقبه تبريد وتحكم يشبه حالة T4 يوفر طريقة لإنتاج أشكال شبه نهائية قبل المعالجة النهائية.

سلوك المعالجة الحرارية

تُجرى المعالجة بالحل لسبيكة 771 عند درجات حرارة تتراوح عادة بين 470–485 °C، وتُحافظ لفترة كافية لإذابة المراحل القابلة للذوبان وتجانس التركيب الدقيق. التبريد السريع من درجة حرارة الحل إلى درجة حرارة الغرفة أو حمام بارد ضروري للحفاظ على محلول صلب مشبع فوق المطلوب؛ وتزداد حساسية معدل التبريد مع سماكة المقطع، وقلة التبريد تؤدي إلى انخفاض القوة القصوى الممكن تحقيقها.

الشيخوخة الاصطناعية للحالة T6 عادة تتم عند درجات حرارة بين 120–160 °C لساعات عدة لإنتاج توزيع دقيق لمركبات η′، ما يؤدي إلى صلادة وقوة خضوع قصوى. المعالجات بالتشيُّخ الزائد (T73 أو T7x) تستخدم درجات حرارة أو أوقات شيخوخة أكبر لتكبير حجم المترسبات وتحسين مقاومة التصدع الناتج عن التآكل تحت الإجهاد والثبات الأبعادي مع خسارة جزئية في مقاومة الشد.

في حالة الخدمة أو التصنيع التي لا تسمح بالمعالجة الحرارية، يوفر العمل البارد زيادة محدودة في القوة للسبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية؛ وبما أن 771 قابلة للمعالجة الحرارية، يُستخدم العمل البارد عادةً لتعديلات شكل طفيفة بدلاً من التصلب. يتم تنفيذ التلدين الكامل (O) بالتسخين فوق درجة حرارة الحل تليه تبريد محكم لاستعادة اللدونة وإزالة الإجهادات المتبقية.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

التعرض لدرجات حرارة مرتفعة يؤدي إلى انخفاض القوة مع تكبير وترسيب المترسبات وذوبانها؛ يظهر 771 فقدانًا ملحوظًا في مقاومة الخضوع والشد فوق ~120–150 °C. للخدمة المستمرة، درجات الحرارة القصوى الموصى بها غالبًا ما تُحدد بحوالي ~100 °C للحفاظ على الخواص الميكانيكية ومنع التشيُّخ المتسارع.

الأكسدة قليلة مقارنةً بالمعادن التفاعلية، لكن الطبقات السطحية والطلاءات قد تتحلل عند درجات الحرارة المرتفعة؛ يجب أخذ الاحتياطات واختيار المواد المناسبة مع الأخذ في الاعتبار الدورات الحرارية التي تغير الإجهادات المتبقية وسلوك HAZ بعد اللحام. مقاومة الزحف متواضعة؛ للمكونات المعرضة لأحمال مستمرة عند درجات حرارة مرتفعة، يُنصح باستخدام سبائك بديلة أو مراعاة التصميم الملائم.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 771
السيارات	أذرع تعليق خفيفة الوزن، تدعيمات هيكلية	نسبة قوة إلى وزن عالية تُقلل الكتلة المعلقة وتحسن الأداء
البحرية	وصلات عالية القوة ومكونات هياكل سباقات القوارب	باستخدام الطلاء، يوفر قوة عالية مع وزن مقبول لمركبات الأداء
الفضاء الجوي	وصلات، مكونات معدات الهبوط، فورجات	قوة شد وتعب عالية للأجزاء الهيكلية الأساسية والثانوية
الإلكترونيات	مشتتات حرارية وقطع تقوية	موصلية حرارية جيدة مع صلابة هيكلية
السلع الرياضية	إطارات دراجات عالية الأداء، مضارب	يجمع بين الصلابة، الوزن المنخفض، ومقاومة التعب للمعدات التنافسية

باختصار، يُختار 771 حيث تكون القوة الساكنة ومقاومة التعب لكل وحدة وزن حاسمة وحيث يمكن إدارة تحديات التآكل والتصنيع عبر تدابير وقائية أو معالجة خاصة أو اختيار الحالة الحرارية المناسبة. مجال تطبيقه يتركز حيث يوفر تقليل الوزن تحسينًا مباشرًا في الأداء أو الكفاءة.

رؤى الاختيار

بالنسبة للمهندسين الذين يختارون المواد، يعتبر سبيكة 771 خيار تصميم يفضّل نسبة القوة إلى الوزن وأداء التعب على حساب المقاومة الذاتية للتآكل وسهولة اللحام. استخدم 771 عندما تكون تقليل وزن الهيكل والقوة الساكنة العالية من القيود الأساسية وعندما يمكن لعمليات التصنيع توفير معالجة حرارية محكمة وحماية سطحية.

بالمقارنة مع الألمنيوم التجاري النقي (1100)، تقدم 771 قوة أعلى بكثير مقابل موصلية كهربائية أقل وقابلية تشكّل منخفضة. وبالمقارنة مع السبائك المقسّاة بالتشغيل مثل 3003 أو 5052، توفر 771 زيادة ملحوظة في مقاومة الخضوع وقوة التعب لكنها تتطلب حماية تآكل أكثر حذراً وتتميز بدكتيلية أقل. بالمقارنة مع السبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، تقدم 771 ذروة قوة أعلى للتطبيقات الإنشائية؛ اختر 771 عندما تكون القوة الإضافية مطلوبة وعندما يستطيع التصميم استيعاب بروتوكولات لحام ومراقبة تآكل أكثر صرامة.

اعتمد منهجية محافظة في وصلات اللحام، واختر طبقات معالجة حرارية ما بعد الشيخوخة في البيئات التآكلية، وتحقق من الأداء من خلال اختبارات التعب والتآكل بالتكسير بالهيدروجين (SCC) للمكونات الحرجة؛ هذا يوازن بين الخواص الميكانيكية القوية للمادة وحساسيتها لعمليات التصنيع والبيئة.

ملخص ختامي

تظل سبيكة 771 ذات أهمية حيث تكون نسبة القوة إلى الوزن وأداء التعب استثنائية ومحورية لأهداف التصميم، شريطة معالجة محدودية قابلية اللحام والمقاومة للتآكل عبر اختيار درجات المعالجة الحرارية، وأنظمة الحماية، وعمليات تصنيع محكمة. عند تحديد المواصفات بشكل صحيح ومعالجتها، تتيح 771 هياكل خفيفة الوزن عالية الأداء في تطبيقات الطيران، السيارات، البحرية، والرياضات التخصصية.