الألومنيوم 8017: التركيب، الخواص، دليل التصلب، والتطبيقات

نظرة شاملة

8017 هو سبيكة ألومنيوم تنتمي إلى سلسلة 8xxx، وهي مجموعة تهيمن عليها تراكيب تحتوي على الليثيوم واستراتيجيات سبائكية أخرى تهدف إلى تحسين القوة النوعية والصلابة. كسبيكة مشتقة من Al-Li، يستخدم 8017 الليثيوم كمكون سبائكي رئيسي إلى جانب كميات محكومة من النحاس والمغنيسيوم وعناصر أثرية لتحسين الأداء الميكانيكي.

الآلية الأساسية للتقوية في 8017 هي التقسية بالنضوج (precipitation hardening) مدمجة مع تخفيض مفيد في الكثافة نتيجة إضافة الليثيوم؛ حيث يؤدي ترسب δ' (Al3Li) ومراحل متماسكة أخرى أثناء التشيخ الصناعي إلى إنتاج مايكروهيكل عالي القوة مقابل الوزن. وتسهم أيضاً تقوية ثانوية من خلال تحسين بنية الحبيبات والعمل البارد المحتمل في بعض التمبيرات، مما يمنح المصممين خيار موازنة الليونة والقوة من خلال اختيار التمبير المناسب.

الخصائص الرئيسية لـ 8017 تشمل قوة نوعية وصلابة أعلى من المتوسط مقارنة بسبائك Al-Mg وAl-Mn التقليدية، مقاومة تعب تنافسية، وكثافة منخفضة تفيد التطبيقات الحساسة للوزن. مقاومة التآكل جيدة عموماً في البيئات الجوية لكنها قد تتأثر بمستويات النحاس وحالة المعالجة الحرارية؛ قابلية اللحام معتدلة وقابلية التشكيل تعتمد على التمبير.

تشمل الصناعات النموذجية هياكل الطيران الأولية والثانوية، مكونات النقل عالية الأداء، وبعض الهياكل البحرية والإلكترونية عالية القوة حيث يكون تقليل الوزن أولوية. يحدد المهندسون 8017 عندما يجب المقايضة بين متانة مطلقة أقل وتعقيد تصنيع بسيط مقابل زيادة كبيرة في القوة النوعية والصلابة مقارنة بسبائك 5xxx/3xxx.

أنواع التمبير

التمبير	مستوى القوة	التمدد	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفض	عالي	ممتاز	ممتاز	مخمّد بالكامل، أقصى قدر من الليونة وقابلية التشكيل
H14	متوسط	متوسط	جيد	جيد	مقوى بالشد إلى صلادة محكومة لقوة متوسطة
T4	متوسط	متوسط إلى عالي	جيد	جيد	معالجة محلول وتشيخ طبيعي؛ توازن جيد بين الليونة والقوة
T6	عالي	منخفض إلى متوسط	مقبول	معتدل	معالجة محلول، تبريد سريع وتشيخ صناعي للوصول إلى قوة الذروة
T8 / T651	عالي جداً	منخفض	محدود	معتدل	عمل بارد بعد المعالجة بالمحلول والتشيخ (T8) أو تخفيف إجهاد بعد المعالجة والتشيخ الصناعي (T651)

يؤثر التمبير تأثيراً كبيراً على 8017 لأن الترسيبات الحاملة لليثيوم المسؤولة عن التقوية حساسة لتأريخ الوقت والحرارة؛ تتحكم تسلسلات المعالجة المحلولة والتشيخ في حجم وكثافة وتوزيع δ' والطور الأخير للترسيبات. يمكن للعمل البارد والتقسية بالشد أن يعززا تقوية الترسيب لكنهما يخفضان قابلية التشكيل ويغيران سلوك بدء تشققات التعب.

التركيب الكيميائي

العنصر	نطاق النسبة المئوية	ملاحظات
Si	0.05–0.25	سيليكون منخفض ومتحكم به للحد من تكوين مركبات بينية هشة والحفاظ على قابلية اللحام
Fe	0.20–0.60	شوائب محكومة؛ فرط الحديد يكوّن جزيئات بينية تقلل الليونة
Mn	0.05–0.40	يسيطر على إعادة التبلور وبنية الحبيبات لتحسين المتانة وقابلية التشكيل
Mg	0.20–0.80	يساهم في التقسية بالنضوج والتقوية بالانحلال الصلب؛ يتفاعل مع أطوار Li/Cu
Cu	0.20–0.60	يعزز القوة القصوى عبر أطوار Al–Cu–Li/T1 ولكنه قد يقلل مقاومة التآكل
Zn	0.05–0.30	كميات صغيرة تساعد في رفع القوة لكن تجنب التركيزات العالية للحد من خطر التشقق الناتج عن التآكل المشترك SCC
Cr	0.02–0.25	عنصر سبائكي دقيق يثبت بنية الحبيبات ويحد من إعادة التبلور
Ti	0.02–0.15	مكرر للحبيبات في المنتجات المصبوبة/المسحوبة ويساعد في السيطرة على جسيمات الإيوتيك
أخرى	Li 0.8–1.4; الباقي ألومنيوم	الليثيوم هو الإضافة المميزة التي تخفض الكثافة وتشكل ترسيبات δ' (Al3Li)

المحتوى المنخفض والحاسم من الليثيوم في 8017 يضبط الكثافة، معامل المرونة والكيمياء الترسيبية؛ حيث يتكون من ترسيبات δ' المتماسكة التي توفر استجابة تقسية قوية. يتم ضبط النحاس والمغنيسيوم لإنتاج مركبات بينية معززة دون الإضرار المفرط بمقاومة التآكل، في حين تساعد إضافات السبائك الدقيقة مثل Cr وTi في استقرار الميكروهيكل أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية.

الخواص الميكانيكية

تتفاوت خصائص الشد للـ 8017 بشكل كبير حسب التمبير: في الحالة المخمدة بالكامل يظهر السبيكة قيمًا معتدلة لمتانة الخضوع والشد مع استطالة عالية نسبياً، بينما تطور التمبيرات ذات التشيخ الذروي شبكة دقيقة من الترسيبات تزيد من مقاومات الخضوع والشد كثيراً لكنها تقلل من الاستطالة الكلية. نسب الخضوع إلى الشد في حالات التشيخ الذروي معتادة للسبائك القابلة للمعالجة حراريًا، وغالبًا ما تُفقد الليونة مقابل القوة في التمبيرات عالية القوة.

تتبع الصلادة الاتجاه نفسه لخصائص الشد وتعتبر مقياساً موثوقاً لتقدم التشيخ في الورشة؛ إذ تزيد الصلادة بسرعة أثناء التشيخ الصناعي مع نضوج وترسيب δ' وأطوار التقوية الأخرى. أداء التعب في 8017 غالباً ما يكون متفوقًا على أساس القوة النوعية مقارنة بسبائك 6xxx الشائعة بفضل صلابته العالية وهيكله الترسيبي الدقيق، لكن حالة السطح والإجهادات الباقية من التشكيل/اللحام حاسمة لتنبؤ العمر الافتراضي.

تؤثر السماكة وشكل المنتج على الخواص الممكن تحقيقها لأن مسافات الانتشار أثناء المعالجة الحرارية المحلولة والتشيخ تؤثر على حجم وتوزيع الترسيبات؛ تصل القوالب الرقيقة إلى التماثل والتجانس الكاملين أسرع من الألواح السميكة، التي قد تظهر تدرجات في الخواص والإجهادات الباقية بعد التبريد السريع.

الخاصية	الحالة O / مخمدة	التمبير الأساسي (T6)	ملاحظات
قوة الشد	150–220 MPa	350–470 MPa	قوة الذروة في T6 تختلف حسب التركيب الدقيق ودورة التشيخ
قوة الخضوع	70–120 MPa	300–420 MPa	الخضوع يزداد بشكل كبير مع التشيخ والعمل البارد
الاستطالة	15–22%	6–12%	الاستطالة تنخفض مع زيادة القوة؛ والسماكة تؤثر بشكل قوي
الصلادة	HB 40–55	HB 115–150	الصلادة تتناسب طرديًا مع كثافة الترسيبات وتُستخدم لمراقبة التشيخ

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.62 g/cm³	منخفضة بالنسبة إلى الألومنيوم النقي (≈2.70 g/cm³) بسبب إضافات الليثيوم؛ تفيد الصلابة النوعية
نطاق الانصهار	~555–645 °C	يتفاوت الصلب/السائل قليلاً حسب التركيب؛ تطبق ممارسات المعالجة الحرارية القياسية للألومنيوم
التوصيلية الحرارية	~120–140 W/m·K	أقل من الألومنيوم عالي النقاء لكنها عالية نسبيًا مقارنة بالفولاذ؛ تقل مع زيادة السبيكة
التوصيلية الكهربائية	~22–38 % IACS	تقل مع زيادة محتوى السبائك وبعد التشيخ بسبب الترسيبات
الحرارة النوعية	~0.9 J/g·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم، مفيدة لحسابات الكتلة الحرارية
التوسع الحراري	~22–24 µm/m·K (20–100 °C)	أقل قليلاً من بعض سبائك الألومنيوم؛ الليثيوم يقلل التوسع الحراري بشكل طفيف

الكثافة المنخفضة لـ 8017 هي أحد الأسباب الأساسية لاختياره في التصميمات الحساسة للوزن؛ حيث يستفيد المهندسون من معامل الصلابة النوعي العالي لتقليل الكتلة الهيكلية. الخواص الحرارية والكهربائية مناسبة لتطبيقات تبديد الحرارة والمكونات الهيكلية الموصلة، إلا أنه يجب موازنة ذلك مع انخفاض التوصيلية مقارنة بالألومنيوم النقي في التطبيقات الحرارية أو الكهربائية الحرجة.

أشكال المنتجات

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المعالجات الشائعة	ملاحظات
ألواح	0.3–6.0 mm	موحدة عبر السماكة في سماكات الرقائق الرقيقة	O، T4، T6	تستخدم للألواح الخارجية والواجهات المشكَّلة؛ السماكات الرقيقة تقدم تعتيقًا موحدًا
ألواح سميكة	6–50+ mm	احتمالية وجود تدرجات في الخصائص بعد المعالجة الحرارية	T6، T651	تتطلب الألواح السميكة عناية دقيقة في المعالجة بالحلول والتبريد للتحكم
بثق	مقاطع تصل إلى 300 mm	قوة اتجاهية جيدة؛ تأثيرات حرارة البثق	T6 بعد التعتيق	يمكن تشكيل مقاطع معقدة؛ تدفق الحبيبات يعزز مقاومة التعب
أنابيب	القطر الخارجي 6–150 mm	مماثل للبثق؛ سمك الجدار يؤثر على عملية التعتيق	O، T6	تستخدم للأنابيب الهيكلية عالية القوة ومكونات الهيدروليك
قضبان/أعمدة	3–80 mm قطر	قابلية تشغيل جيدة في الحالة المعالجة حراريًا، قوة عالية في الحالة المعتيقة	O، H14، T6	تصنع للوصلات، المثبتات والأجزاء الميكانيكية

فروقات المعالجة بين أشكال المنتجات تؤثر على الاختيار: يمكن معالجة الألواح الرقيقة والبثائق الرقيقة بسرعة بالتعويم والتعتيق، في حين أن الألواح السميكة والمقاطع الثقيلة تتطلب أوقات نقع أطول واستراتيجيات تبريد أكثر حدة لتجنب التدرجات الدقيقة في التركيب الميكروي. عمليات التشكيل تكون أكثر نجاحًا في درجات المعالجة الطرية أو التعتيق الطبيعي؛ غالبًا ما يتبع التشكيل تعتيق نهائي لاستعادة القوة المطلوبة.

الدرجات المكافئة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	8017	الولايات المتحدة الأمريكية	معترف بها كسبائك ألومنيوم-ليثيوم من سلسلة 8xxx في مواصفات المصنع
EN AW	غير موحدة / تقريبة	أوروبا	لا يوجد مكافئ مباشر واحد في EN؛ أقرب توافق مع عائلات ألومنيوم-ليثيوم عالية القوة في متغيرات EN AW 8xxx
JIS	غير موحدة	اليابان	المكافئات في JIS نادرة؛ المواصفات المخصصة شائعة للمستخدمين في الطيران
GB/T	8017 / سلسلة ألومنيوم-ليثيوم	الصين	تشير بعض المعايير الصينية إلى كيمياء ألومنيوم-ليثيوم مشابهة لـ AA8017 في الكاتالوجات الوطنية

تطابق الدرجات للسبائك مثل 8017 لا يكون دائمًا مباشرًا لأن معايير مختلفة تحدد حدود ملوثة قصوى ومتطلبات تعتيق مختلفة؛ يعتمد المصنعون والمصممون غالبًا على الكيمياء المعتمدة وجداول خصائص الميكانيكية بدلًا من مرجع واحد. عند الاستبدال بين المعايير، يجب على المهندسين التوفيق بين محتوى الليثيوم، موازنات النحاس/المغنيسيوم، ودورات المعالجة الحرارية لضمان تطابق السلوك الميكانيكي ومقاومة التآكل مع متطلبات التصميم.

مقاومة التآكل

في البيئات الجوية، يظهر 8017 عادة مقاومة جيدة بشرط التحكم في مستويات النحاس واختيار المعالجات المناسبة؛ الظروف المستعرة أو المعالجة حراريًا توفر أداء تضحوي أفضل من درجات التعتيق الزائد أو ذات محتوى النحاس العالي. يمكن أن يحدث تآكل موضعي مثل التآكل بالتجاويف في البيئات الغنية بالكلوريد، وتستخدم التشطيبات السطحية والطلاءات المعدنية أو الطلاءات التحويلية لتحسين الأداء طويل الأمد.

السلوك البحري مقبول للعديد من المكونات ولكنه يجب أن يُقيم حسب شدة التعرض؛ الغمر في مياه البحر ومناطق الرش تزيد من الهجوم الموضعي وتآكل الشقوق، خاصة حيث توجد أزواج جلفانية مع مواد أكثر نبالة. عادة ما تستخدم معالجة السطح المناسبة (الأكسدة الأنودية، الطلاءات التحويلية) واستراتيجيات الحماية الكاثودية لإطالة العمر في التطبيقات البحرية.

يزداد احتمال حدوث تشقق الإجهاد الكيميائي مع زيادة الإجهادات الشدّية ومع المحتويات العالية من النحاس أو الزنك؛ يمكن أن تكون مركبات 8017 في درجات التعتيق الذروية عالية القوة أكثر عرضة لتشقق الإجهاد الكيميائي مقارنة بالسبائك منخفضة القوة والمعالجة بالتشغيل البارد. التفاعلات الجلفانية تكون ذات تأثير ملحوظ عند اقترانها مع مركبات ألياف الكربون أو مثبتات الفولاذ المقاوم للصدأ، ويوصى باستخدام حواجز عازلة أو اختيار مثبتات بعناية لتجنب التآكل المتسارع.

مقارنةً بالعائلات الأخرى، يوفر 8017 غالبًا صلابة نوعية أفضل ومقاومة تآكل مماثلة أو أقل قليلًا مقارنة بسبائك المغنيسيوم 5xxx، وعادة متفوقة على سبائك 7xxx عالية القوة التي قد تكون أكثر عرضة لتشقق الإجهاد الكيميائي؛ التقييم النهائي يعتمد بشكل كبير على درجة المعالجة، تشطيب السطح، والبيئة المحلية.

خواص التصنيع

قابلية اللحام

قابلية لحام 8017 متوسطة؛ يمكن إجراء اللحام بالاندماج (TIG/MIG) لكنه يتطلب تحكمًا في التسخين المسبق، تقنيات منخفضة استهلاك حرارة، واختيار مناسب لمادة الحشو لتجنب التشقق الساخن وتدهور الخصائص الميكانيكية في منطقة متأثرة بالحرارة. الأسلاك الموصى بها عادة تكون سبائك Al–Mg–Si أو Al–Cu–Li متوافقة يحددها المورد لتلائم متطلبات المقاومة والتآكل، ويمكن استخدام تعتيق بعد اللحام لاستعادة القوة حيثما تسمح الهندسة.

قابلية التشغيل

قابلية التشغيل ل8017 جيدة في الحالة المعالجة حراريًا (Annealed) وأكثر تحديًا في درجات التعتيق الذروية بسبب زيادة الصلابة وميلها للتصلب بالعمل؛ يفضّل اختيار أدوات قطع بكربيد مع زاوية سكين إيجابية ومقاومة تآكل عالية. يجب تحديد سرعات القطع والتغذية تجريبيًا للأشكال المختلفة مع توفير تبريد جيد وإزالة الرقائق لمنع تشكّل الحافة المتراكمة والحفاظ على جودة السطح.

قابلية التشكيل

تكون أفضل في درجات O أو T4 حيث تكون الليونة عالية والتصلب الناتج عن التشوه معتدل؛ نصف قطر الانحناء الأدنى يعتمد على السماكة وعادة يكون أكبر من سبائك 1xxx أو 3xxx الناعمة عند المعالجات العالية القوة. التشكيل على البارد متبوعًا بالتعتيق النهائي هو مسار تصنيع شائع لتحقيق أشكال معقدة دون فقدان الأداء الميكانيكي النهائي، ويجب مراعاة سلوك الاسترجاع (springback) في تصميم الأدوات بسبب قوى الخضوع الأعلى في درجات التعتيق.

سلوك المعالجة الحرارية

كسبيكة ألومنيوم-ليثيوم قابلة للمعالجة الحرارية، يستجيب 8017 بحساسية للمعالجة بالحلول، التبريد السريع، ودورات التعتيق الصناعي؛ تتضمن التسلسل الشائع المعالجة بالحلول عند درجات حرارة حوالي 520–540 °C يتبعها تبريد سريع للاحتفاظ بالليثيوم والنحاس في المحلول الصلب. ينتج التعتيق الصناعي عند درجات حرارة بين 140–190 °C طور δ' (Al3Li) وطور تقوية آخر، ويتم الوصول للحالة المعتيقة الذروية (T6) بالتحكم في الوقت ودرجة الحرارة لإنتاج توزيع راسب دقيق وعالي الكثافة.

التعتيق الزائد أو درجات الحرارة الخاطئة يمكن أن تؤدي إلى انخفاض القوة بسبب تكبير الرواسب بالإضافة إلى تقليل الليونة ومقاومة التآكل؛ لذلك تستخدم دورات حرارية دقيقة في معالجة الدرجة الفضائية. لبعض المكونات يُستخدم مسار T8 (معالجة بالحلول، تبريد سريع، شد/عمل بارد، تعتيق صناعي) للجمع بين ترسيب الرواسب والتصلب بالعمل، لتحسين قوة الخضوع وأداء التعب.

التقوية غير الحرارية في خطوط منتجات ذات صلة تتم عبر التصلب بالعمل (درجات سلسلة H) ويستخدم التلدين لاستعادة الليونة؛ ومع ذلك، فإن هذه الطرق أقل فعالية في استغلال النظام الترسيبي لليثيوم مقارنة بعمليات T6/T651 الخاضعة للتحكم.

الأداء عند درجات الحرارة العالية

تتدهور مقاومة القوة في 8017 تدريجيًا مع زيادة الحرارة؛ يبدأ فقدان ملحوظ في خضوع الشد ومقاومة الشد فوق 120–150 °C تقريبًا مع انحلال أو تكبير الرواسب. لذلك فإن التشغيل المستمر عند درجات حرارة مرتفعة محدود، وعادة ما يحدد المصممون حدود التشغيل الحراري أقل من 120 °C لتجنب التطرية الدائمة.

الأكسدة في الهواء معتدلة ومماثلة لسبائك الألومنيوم الأخرى بفضل طبقة الأكسيد الحامية، ولكن لا ينبغي استخدام السبائك في بيئات أكسدية عالية الحرارة بدون طبقات حماية. يمكن أن تعاني مناطق متأثرة بالحرارة ومناطق دورة الحرارة بالقرب من اللحامات من تطرية موضعية ويجب أخذ ذلك في الاعتبار عند تصميم المكونات الحرارية العالية.

التطبيقات

الصناعة	مثال على المكون	سبب استخدام 8017
الفضاء الجوي	الهياكل الثانوية للجسم أو الأجنحة	قوة و صلابة نوعية عالية تخفض الوزن مع الحفاظ على الأداء الهيكلي
السيارات / النقل	مكونات هيكلية عالية الأداء	تقليل الوزن من أجل اقتصاد الوقود وتحسين الصلابة الديناميكية
البحرية	إطارات وهيكليات وتركيبات	نسبة قوة إلى وزن ممتازة ومقاومة تآكل معقولة مع تشطيبات حماية
الإلكترونيات	موزعات حرارة هيكلية وحوامل	كثافة منخفضة مع توصيل حراري وقوة ميكانيكية مقبولة

يُختار 8017 كثيرًا للتطبيقات التي يكون فيها تقليل الكتلة دون الإضرار بالصلابة أو مقاومة التعب أمرًا حاسمًا، وحيث تسمح طرق التصنيع بالمعالجة الحرارية واللحام. يكون أداء السبائك جذابًا جدًا عند تبني نهج تصميم وتصنيع متكامل للاستفادة من التعتيق بعد التشكيل والحماية السطحية.

نصائح للاختيار

اختر 8017 عندما يكون معدل القوة النوعية والصلابة لكل وحدة وزن من المقاييس الأساسية وعندما يدعم التصنيع المعالجة الحرارية بالحلول، التبريد، والتعتيق المنضبط. هو خيار جيد للمكونات التي سيكون فيها زيادة الوزن لها تأثير كبير على أداء النظام، وحيث يكون المعالجة الحرارية بعد التشكيل ممكنة.

بالمقارنة مع الألمنيوم الخالص تجارياً (مثل 1100)، يوفر 8017 قوة وصلابة أعلى وكثافة أقل مقابل تقليل الموصلية الكهربائية/الحرارية وقدرة تشكُّل أكثر تقييداً؛ يظل 1100 مفضلاً حيث تكون أقصى درجة من قابلية التشكيل والموصلية مطلوبة. مقابل السبائك المعالجة بالتعتيق الشائع مثل 3003 أو 5052، يشغل 8017 مكانة قوة أعلى مع خصائص مشابهة أو قليلاً