ألمنيوم 8007: التركيب، الخواص، دليل التلدين والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 8007 هي جزء من سلسلة 8xxx من سبائك الألومنيوم، والتي تتميز غالبًا بإدخال الليثيوم كعنصر سبائكي رئيسي إلى جانب إضافات سبائكية دقيقة أخرى. تستفيد هذه السبائك من الليثيوم لتقليل الكثافة وزيادة معامل المرونة لكل وحدة كتلة، بهدف تحسين الصلابة النوعية والأداء الحساس للوزن في التطبيقات الإنشائية.

يتم تصنيع 8007 كسبائك ألومنيوم قابلة للمعالجة الحرارية وتقوية نتيجة الترسيب، حيث تكون آلية التقوية السائدة هي تكون ونمو جسيمات دقيقة من δ' (Al3Li) وترسيبات متناغمة أخرى خلال التشيخ الصناعي. يمكن تكييف البنية المجهرية من خلال المعالجة بالإنصهار، التبريد السريع والتشيخ المسيطر عليه لتحقيق توازن بين القوة، اللدونة والمتانة المناسبة لمختلف الأحوال الحرارية (tempers).

تشمل الخصائص الرئيسية لـ 8007 نسبة قوة إلى وزن ملائمة، كثافة أقل من سبائك Al‑Mg‑Si وAl‑Cu التقليدية، وزيادة في الصلابة مقارنة بالسبائك التقليدية عند سماكة متقاربة. تعتمد مقاومة التآكل وقابلية اللحام بشكل كبير على الحالة الحرارية والكيمياء، وتعتبر القابلية للتشكيل الأفضل عادة في الأحوال المخدرة أو المكيفة جزئيًا، وتقل في حالات التشيخ الذروة.

تشمل الصناعات النموذجية التي تستخدم 8007 الهياكل الفضائية والجوية، النقل عالي الأداء (السيارات والسكك الحديدية)، المكونات البحرية المتخصصة، وبعض تطبيقات الإلكترونيات وإدارة الحرارة حيث تكون خفة الوزن وزيادة الصلابة ضرورية. يختار المهندسون 8007 عندما يُعطى تصميم المنتج أولوية للصلابة النوعية وخفة الوزن بجانب متطلبات القوة المعتدلة إلى العالية وأداء مقبول في مقاومة التآكل والإجهاد.

أنواع الحالة الحرارية

الحالة	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	مخمرة بالكامل، أقصى حد للّدية للتشكيل
H111 / H14	منخفضة-متوسطة	متوسطة-عالية	جيدة جدًا	جيدة	تمدد عمل خفيف لتحقيق زيادات متواضعة في القوة
T3	متوسطة	متوسطة	جيدة	مقبولة	معالجة بالإنصهار، معالجة باردة وتشيخ طبيعي
T6	عالية	منخفضة-متوسطة	مقبولة	مقبولة-جيدة	معالجة بالإنصهار وتشيخ صناعي لأقصى قوة
T8 / T91	عالية	منخفضة	محدودة	مقبولة	معالجة بالإنصهار، معالجة باردة وتشيخ صناعي (متحكم)
T651	عالية	منخفضة	محدودة	مقبولة	معالجة بالإنصهار، تخفيف إجهاد عن طريق الشد، تشيخ صناعي

تتحكم الحالة الحرارية في التوازن بين مقاومة الخضوع/الشد واللدونة في 8007 عن طريق تغيير حجم الترسيبات، توزيعها وكثافة الانزلاقات. تحقق الأحوال المخدرة أو O أقصى قابلية للتشكيل وتفضل للأجزاء العميقة السحب، بينما تنتج حالات T6 وما شابهها أعلى مقاومات شد وخضوع على حساب الاستطالة وقابلية الانحناء.

مسار التشيخ وكمية العمل البارد تؤثر بشكل كبير على المتانة، معدلات نمو التشقق بسبب الإجهاد، والقابلية للتآكل الموضعي؛ لذلك يجب على المصممين اختيار الحالة الحرارية التي تتوافق مع عمليات التشكيل والتحميل المتوقع أثناء الخدمة لتجنب المعالجة الزائدة أو القوة غير الكافية.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة %	ملاحظات
Si	0.10–0.50	ضبط الشوائب؛ يشكل مركبات بين معدنية مع Fe؛ يحد من السائلة في الدرجات المصبوبة
Fe	0.05–0.60	مصدر للمتانة والشوائب؛ يحد من الكميات الكبيرة من المركبات بين المعدنية الخشنة
Mn	0.05–0.50	ضبط بنية الحبوب والقوة عبر التشتتات
Mg	0.05–1.20	يساهم في تقسية التشيخ والقوة، يتفاعل مع مراحل Li/Al
Cu	0.05–2.00	يعزز القوة عبر ترسيبات إضافية لكنه قد يخفض مقاومة التآكل
Zn	0.00–2.00	يساعد في زيادة القوة لكن يزيد الحساسية للتآكل الموضعي إذا زادت نسبته
Cr	0.01–0.30	يعمل على ضبط إعادة التبلور ونمو الحبوب الخشنة أثناء المعالجة
Ti	0.01–0.20	مكرر حبيبات في المنتجات المصبوبّة والمشغولة، يحسن التجانس الميكانيكي
عناصر أخرى (بما في ذلك Li)	Li 0.20–2.50 (نموذجي)	الليثيوم هو العنصر المميز؛ عناصر الأثر الأخرى (Be, Zr) تستخدم للتحكم في البنية المجهرية

يركز التركيب الكيميائي لـ 8007 على محتوى الليثيوم كعامل أداء رئيسي، ما يقلل الكثافة ويمكن من تكوين ترسيبات δ' التي توفر قوة نوعية عالية. يستخدم النحاس والمغنيسيوم والزنك لضبط القوة عبر مراحل ترسيبية إضافية لكن يجب موازنتها للحفاظ على مقاومة التآكل ومتانة الكسر. يُضاف التحكم في جرعات Zr/Cr/Ti عادة لتكرير بنية الحبوب، ثبات الخصائص أثناء الدورات الحرارية وتقليل إعادة التبلور.

الخصائص الميكانيكية

يظهر السلوك الشدّي في 8007 تباينًا واسعًا حسب الحالة الحرارية وشكل المنتج؛ حيث يُظهر المادة المخمرة (O) عادة مقاومة شد نهائية معتدلة مع استطالة عالية، في حين توفر حالات T6/T8 مقاومات شد وخضوع أعلى بكثير على حساب اللدونة. وجود ترسيبات دقيقة متناغمة من Al3Li في حالات التشيخ الذروة يعزز كلًا من مقاومة الخضوع والشد مع الاحتفاظ بزيادة مفيدة في معامل المرونة.

تتأثر مقاومة الخضوع بشدة بالتشيخ والعمل البارد؛ حيث توفر حالة T6 زيادة كبيرة في الخضوع بسبب الترسيب المتجانس، ولكن المعالجة الزائدة الموضعية أو الترسيبات الخشنة تقلل من الخضوع والمتانة. تنخفض الاستطالة في الحالات عالية القوة كما تقل في الأقسام السميكة نتيجة القيود عبر السماكة وتفاوت البنية المجهرية.

يستفيد أداء الإجهاد الدوري لـ 8007 من صلابة السبائك وتشتت الترسيبات عند معالجته بشكل صحيح؛ ومع ذلك، يمكن أن تزيد بداية التشقق والإنتشار المبكر نتيجة لخشونة السطح، الشوائب وتفاعلات الجلفانية. تظهر تأثيرات السماكة واضحة: فالأقسام الرقيقة تستجيب بسرعة لدورات الإنصهار والتبريد مما ينتج خصائص أكثر انتظامًا، في حين قد تعاني الأقسام السميكة من معدلات تبريد أبطأ وقيم ذروة منخفضة.

الخاصية	O/مخمرة	الحالة الحرارية الرئيسية (مثلاً T6)	ملاحظات
قوة الشد	150–250 MPa (نموذجي)	350–470 MPa (نموذجي)	تتفاوت القيم حسب محتوى Li والمعالجة الحرارية؛ حالة T6 تظهر زيادة واضحة
قوة الخضوع	60–130 MPa (نموذجي)	300–420 MPa (نموذجي)	تعزز الخضوع مع التشيخ والعمل البارد؛ قد يلين منطقة HAZ موضعيًا
الاستطالة	20–35%	7–15%	تنخفض اللدونة مع ارتفاع قوة الحالة الحرارية وزيادة السماكة
الصلادة	40–90 HB	90–140 HB	الصلادة مرتبطة بكثافة الترسيبات والعمل البارد

الخصائص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	2.55–2.67 g/cm3	أقل من الألومنيوم التقليدي بسبب Li؛ القيمة الدقيقة تعتمد على محتوى Li
نطاق الانصهار	~ 520–650 °C	تؤثر الإضافات في درجات الحرارة الصلبة والسائلة؛ يجب مراعاة شروط المعالجة
التوصيل الحراري	120–165 W/m·K	أقل من الألومنيوم النقي؛ يعتمد التوصيل على عناصر السبائك والحالة الحرارية
التوصيل الكهربائي	25–48 %IACS	منخفض مقارنة بالألومنيوم النقي؛ ينخفض مع محتوى المذاب والعمل البارد
السعة الحرارية النوعية	~0.90 J/g·K	بنفس ترتيب الحجم للسبائك الشائعة؛ تختلف قليلًا حسب التركيب
معامل التمدد الحراري	22–24 µm/m·K (20–100 °C)	مشابه لكثير من سبائك الألومنيوم لكنه متأثر قليلاً بمحتوى Li

يعد الانخفاض في الكثافة من المزايا الفيزيائية الرئيسية لـ 8007 في التصاميم الحساسة للوزن، ويساهم في صلابة نوعية أعلى. تقل التوصيلات الحرارية والكهربائية مقارنة بالألومنيوم النقي بسبب تشتت الذائبة، ويجب أخذ ذلك في الاعتبار في تطبيقات إدارة الحرارة والكهرباء.

تُعد نوافذ المعالجة الحرارية حرجة: يجب أن تأخذ معلمات المعالجة بالإنصهار والتشيخ في الاعتبار نطاق انصهار السبائك وثبات الترسيبات الغنية بالليثيوم. كما يجب على المصممين الانتباه إلى اختلافات بسيطة في سلوك التمدد الحراري عند دمج 8007 مع مواد مختلفة.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	التعاريج الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.2–6.0 mm	تجانس جيد في السماكات الرقيقة	O, H14, T3, T6	شائعة لجلود الطائرات ولوحات السيارات
لوح	6–25 mm	قد تنخفض القوة في الأقسام السميكة بسبب حساسية التبريد	O, T6 (محدود)	يتطلب معالجة مراقبة لضمان خصائص موحدة عبر السماكة
بثق	مقاطع عرضية حتى 200 mm	تتغير القوة حسب المقاطع وتقسية العمر	T6, T8	ملفات تعريف معقدة تُستخدم في الدعائم الهيكلية والسكك
أنبوب	جدار 0.5–8.0 mm	قوة محورية جيدة؛ الانحناء/التشكيل يعتمد على التعريض	O, T6	يستخدم لأنابيب هيكلية خفيفة وأنظمة الطيران
قضيب/عصا	Ø5–100 mm	تختلف القوة حسب القطر والمعالجة الحرارية	O, T6	يستخدم للوصلات، المكونات المجهزة والبراغي

تُستخدم منتجات الألواح والسماكات الرقيقة على نطاق واسع لـ 8007 لأنها تحقق استجابات أكثر اتساقًا في التبريد والتقسية وأداء تشكيل أفضل في التعاريج O وH. تتطلب الألواح والبثقات ذات المقاطع الكبيرة سيطرة دقيقة على معالجة التصلب بالتسخين والتبريد لتجنب المناطق المركزية اللينة والحصول على خصائص ميكانيكية موحدة.

تؤثر فروق المعالجة (الدرفلة مقابل البثق) على التركيب البلوري، واللا متماثلية، وقابلية التشكيل. حيثما يُطلب تجانس دقيق للخصائص عبر السماكة، قد يحدد الموردون التحكم في المعالجة الحرارية ودرجة الحرارة أو يفضلون التعاريج المعالجة باردةً مع التقسية المُراقبة.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	8007	الولايات المتحدة الأمريكية	تسمية صناعية شائعة لهذه العائلة الكيميائية؛ توجد اختلافات بين الموردين
EN AW	8xxx (متنوعة)	أوروبا	تجمع معايير EN عادة السبائك الحاملة لليثيوم تحت تسميات 8xxx؛ التوافق المباشر يعتمد على التركيبة الكيميائية الدقيقة
JIS	سلسلة A8xxx	اليابان	تحتوي المعايير اليابانية على إدخالات مماثلة للعائلة 8xxx؛ رقم الدرجة يتغير حسب التركيبة الكيميائية
GB/T	8007 (أو سلسلة 8xxx)	الصين	غالباً ما تستخدم المعايير الصينية ترقيمًا يعتمد على السلسلة؛ يتطلب التوافق الدقيق مراجعة التركيب

لا توجد مكافئات دقيقة لـ 8007 دائمًا بنسبة واحد إلى واحد بسبب اختلافات ملكية ونوافذ تركيب ضيقة يستخدمها الموردون. يجب على المهندسين طلب تقارير اختبار كيميائية وميكانيكية معتمدة وعند الحاجة مقارنة الحدود الخاصة بالليثيوم، والنحاس، والمغنيسيوم للتأكد من التوافق بين المعايير.

مقاومة التآكل

تُعد مقاومة التآكل الجوي لـ 8007 جيدة عامةً للسبائك الحاملة لليثيوم عند التحكم في محتوى النحاس والزنك؛ حيث يتكون أكسيد ألومنيوم وقائي طبيعيًا، كما تحسن المعالجات الحرارية المناسبة والتشطيب السطحي الأداء. لكن زيادة مستويات النحاس أو الزنك تزيد من قابلية التآكل النخري وتقشر السطح في البيئات العدائية، لذا يجب تكييف المواصفات حسب ظروف الخدمة.

في البيئات البحرية والغنية بالكلوريدات، يؤدّي 8007 بشكل مقبول مقارنةً بسلسلة 2xxx لكنه قد يكون أقل متانة من سبائك الألومنيوم النقية والمغنيسيوم (5xxx) ما لم تُستخدم مثبطات أو طلاءات أو معالجات وقائية. يجب الانتباه إلى التعريض بعد اللحام والتعاريج لمنع الهجمات المحلية، خاصة حول الوصلات والبراغي.

يزداد خطر تشقق التآكل الإجهادي مع الإجهاد الشدي وبعض التركيبات الكيميائية (خاصة المحتوى الأعلى من النحاس)؛ يمكن تخفيف هذا الخطر عن طريق التصميم الحكيم لتقليل الإجهاد الشدي المستمر واستخدام التعاريج المقاومة للتآكل والطلاءات. تقع 8007 على الجانب الأنودي مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ الشائع وسبائك النحاس؛ يُوصى باستخدام واجهات عازلة أو براغي متوافقة.

مقارنةً بالعائلات الأخرى، تقدم 8007 عادة صلابة نوعية أفضل ومقاومة تآكل مماثلة أو محسنة مقابل سبائك ألومنيوم-نحاس عالية القوة، لكنها نادراً ما تتطابق مع متانة مقاومة التآكل النقية لسبائك المغنيسيوم 5xxx في التعرضات البحرية غير المطلية.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

يمكن لحام 8007 باستخدام GTAW (TIG) وGMAW (MIG) ولكن يتطلب التحكم في العملية للحد من تبخر الليثيوم والتحكم في تليين منطقة التأثير الحراري. السبائك الحشو النموذجية هي من نوع Al‑Si أو Al‑Mg‑Si تُختار لموازنة القوة وسلوك التآكل، وقد يلزم التسخين المسبق/المعالجة الحرارية بعد اللحام أو إزاحة الإجهاد الميكانيكي للهياكل الحرجة. خطر التشقق الحراري متوسط ويزداد بزيادة النحاس/الزنك؛ اللحام النبضي واستخدام الحماية بالفراغ أو الغازات الخاملة للأجزاء الجوية الهامة هي ممارسات شائعة.

قابلية التشغيل

تتراوح قابلية التشغيل لـ 8007 من جيدة إلى متوسطة حسب التعريض وحجم المقطع؛ تزيد التعاريج عالية القوة من صعوبة التشغيل بسبب زيادة الصلابة أثناء العمل وحمل الأدوات. يُفضل استخدام أدوات كربيد ذات زاوية قطع إيجابية وإخلاء رقاقة جيد؛ سرعات القطع عادة أعلى من الصلب وأقل من الألومنيوم النقي بسبب السبائكية. يميل انكسار الرقائق للتجزئة القصيرة مع تغذية وتزييت مناسبين؛ يساهم التبريد والتحكم في الرقاقة في تحسين جودة السطح وإطالة عمر الأدوات.

قابلية التشكيل

قابلية التشكيل ممتازة في التعاريج O وH المجهزة خفيفًا وتتدهور في تعريجات T6/T8 ذروة التصلب حيث تنخفض الاستطالة والانثناء. نصف قطر الانحناء النموذجي الأدنى في التعريض O صغير (R/t ≈ 1–2) حسب التعريض والأداة، بينما في T6 قد يحتاج لنصف أقطار أكبر وتعويض ارتداد الانثناء. يُستخدم التشكيل الدافئ ودورات المعالجة الحرارية الحلولية والعمر لتحسين قابلية التشكيل للأشكال المعقدة يليها تعريض صناعي لاستعادة القوة.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة قابلة للمعالجة الحرارية، يخضع 8007 لسلسلة المعالجة التقليدية من معالجة محلول، تبريد سريع، وتعريض صناعي للوصول إلى أقصى قوة. تتراوح درجات حرارة معالجة المحلول عادة بين 500–540 °C حسب التركيب الكيميائي الدقيق؛ التبريد المتجانس ضروري لمنع تكون ترسيبات كبيرة والحفاظ على تشبع المحلول للمراحل التالية من التعريض.

يتم التعريض الصناعي عند درجات حرارة معتدلة (عادة 120–180 °C) لتحفيز ونمو ترسيبات دقيقة δ' (Al3Li) التي توفر قوة وصلابة عالية. يؤدي التعريض المفرط في درجات حرارة أعلى أو أوقات طويلة إلى تآكل الترسيبات وفقدان الخصائص القصوى؛ إدارة التعريجات (T6 مقابل T8/T91) توازن بين القوة والمتانة.

تشمل مراحل التعريض التبدلي التعريض الطبيعي في بعض التعاريج (T3) حيث تحدث ترسيبات جزئية في درجة حرارة الغرفة، والعمل البارد يليه التعريض (T8) حيث تساعد شبكات الانزلاقات في التبرعم المتغاير مما يؤدي إلى مقاومة شد أعلى. السيطرة على معدلات التبريد ودورات التعريض ضرورية لتجنب تدرجات في الخصائص، خاصة في الأقسام السميكة أو التجميعات المعقدة.

الأداء في درجات الحرارة العالية

يُظهر 8007 انخفاضًا ملحوظًا في القوة فوق حوالي 125–150 °C مع بدء تآكل وترسيب الترسيبات الحاملة لليثيوم، مما يحد من درجات الحرارة المسموح بها للخدمة المستمرة. قد تتحمل التعرضات قصيرة الأمد حتى ~200 °C حسب التعريض والخصائص المطلوبة، لكن الخدمة طويلة الأمد في درجات حرارة مرتفعة غير مستحسنة للتطبيقات الحاملة للأحمال.

تحد الأكسدة في الظروف المحيطة بسبب تكوين طبقة أكسيد ألومنيوم واقية، لكن عند درجات حرارة مرتفعة قد يحدث تقشر السطح وتغيرات في الكيمياء السطحية. منطقة تأثر الحرارة خلال اللحام تثير القلق: يحدث تليين موضعي وفقدان الخصائص الشد بسبب تذويب الترسيبات وإعادة ترسيبها؛ تحدد المعالجات الحرارية اللاحقة أو إزالة الإجهاد الميكانيكية للأجزاء الحرجة غالبًا.

مقاومة الزحف لـ 8007 محدودة مقارنة بالسبائك عالية الحرارة؛ ينبغي على المصممين تجنب الإجهادات طويلة الأمد في درجات حرارة مرتفعة وإجراء اختبارات خاصة بالتطبيقات عند توقع تعرجات حرارية.

التطبيقات

الصناعة	مثال العنصر	سبب اختيار 8007
الطيران	داعِمات الهيكل، وصلات داخلية	صلابة نوعية عالية ووزن منخفض لزيادة الكفاءة الهيكلية
البحري	لوحات الهيكل الخفيفة	كثافة منخفضة وقوة جيدة مع سلوك تآكل مضبوط
السيارات	تعزيزات هيكلية، أجزاء إدارة التصادم	خفض الوزن لتحقيق اقتصاد في الوقود مع الحفاظ على القوة المطلوية
الإلكترونيات	موزعات حرارة وأغلفة	كتلة منخفضة وموصلية حرارية مقبولة مع سلامة هيكلية

يُختار 8007 حيث تكون وفورات الوزن وزيادة الصلابة من دوافع التصميم مع الاحتفاظ بالقدرة على الوصول إلى قوًى معتدلة إلى عالية من خلال المعالجة الحرارية. توليفة خصائص السبيكة تناسب التطبيقات التي تجمع بين الأداء الهيكلي وتوفير الوزن لتحقيق فوائد على مستوى النظام مثل الهياكل الأولية والثانوية للطيران، ومكونات النقل الفاخرة وبعض أجزاء إدارة الحرارة.

نصائح للاختيار

عند اختيار 8007، فضلًا استخدمه في حالات تتطلب تحسين الصلابة النوعية وخفض الكتلة مع الحاجة إلى قوة معتدلة إلى عالية يمكن تحقيقها بالتقسية. حدد التعريض والمعالجات اللاحقة للتصنيع مبكرًا لتجنب المفاجآت في قابلية التشكيل، وأداء اللحام، وسلوك التآكل.

مقارنةً بالألومنيوم النقي تجارياً (مثل 1100)، تقدم سبائك 8007 تنازلاً في الموصلية الكهربائية والحرارية وقابلية التشكيل مقابل قوة أعلى بكثير وكثافة أقل، مما يجعلها خياراً مفضلاً للمكونات الهيكلية بدلاً من التطبيقات التي تتطلب توصيلاً كهربائياً نقيًا أو قابلية تشكيل عالية. مقارنةً مع السبائك المعالجة بالعمل الشاق الشائعة (مثل 3003، 5052)، توفر 8007 قوة نوعية وصلابة متفوقة على حساب تقليل اللدونة في درجات المعالجة العليا والتكلفة المادية المحتملة الأعلى. مقارنةً بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية الشائعة (مثل 6061/6063)، يمكن اختيار 8007 عندما تكون الأولوية هي أقل كثافة وصلابة نوعية أعلى حتى لو كانت القوة القصوى المطلقة مماثلة أو أقل قليلاً؛ يُفضل اختيار 8007 حين تكون توفير الوزن ومعامل الشد لكل وحدة كتلة عوامل حاسمة.

الملخص الختامي

تبقى سبيكة الألومنيوم 8007 ذات صلة عندما يطلب المصممون مزيجاً من انخفاض الكثافة، زيادة الصلابة النوعية وقوة المعالجة الحرارية، خصوصاً في قطاعات الطيران والنقل التي تتطلب حساسية عالية للوزن. التحديد الصحيح للكيمياء، درجة المعالجة وتسلسل التصنيع يكشف عن مزاياها مع إدارة التنازلات في قابلية التشكيل، القابلية للحام وسلوك التآكل.