ألمنيوم 8075: التركيب، الخصائص، دليل التخمير، والتطبيقات

نظرة شاملة

سبائك 8075 هي سبائك ألومنيوم قابلة للمعالجة الحرارية وعالية القوة، وتقع وظيفياً إلى جانب عائلة Zn‑Mg‑Cu عالية القوة بدلاً من العائلات الشائعة 1xxx–6xxx. عادةً ما تصنف ضمن سلسة الألومنيوم 8xxx حيث يتم ضبط التركيبة الكيميائية لتعظيم القوة مع محاولة الحفاظ على متانة مقبولة وسلوك مقاومة للتآكل يتناسب مع التطبيقات الإنشائية.

العناصر الأساسية المسببة للسبائك في 8075 هي الزنك والمغنيسيوم مع إضافات محكمة من النحاس وعناصر سبائكية دقيقة مثل الكروم أو الزركونيوم أو التيتانيوم بهدف تحسين بنية الحبيبات والتحكم في إعادة التبلور. يتم تحقيق التقوية بشكل رئيسي من خلال تصلب بالترسيب (معالجة محلول تليها تبريد ثم ترسيب صناعي)، مما ينتج ترسيبات دقيقة من الطور η (MgZn2) التي توفر مقاومة خضوع وقوة شد عالية.

الصفات الرئيسية لسبائك 8075 تشمل قوة نوعية عالية، قابلية لحام متوسطة إلى ضعيفة في عمليات اللحام بالانصهار، انخفاض في توصيل الكهرباء والحرارة مقارنة بالألومنيوم النقي، وقابلية محدودة للتشكيل على البارد في درجات التصلب القصوى. تستهدف هذه السبائك صناعات مثل هياكل الطيران، مكونات النقل عالية الأداء، وبعض الأجزاء الإنشائية البحرية أو الحديدية التي تتطلب نسبة قوة إلى وزن عالية.

يختار المهندسون سبائك 8075 عندما تكون هناك حاجة إلى مزيج من القوة العالية، متانة الضرر، وأداء مقاومة للتآكل محسّن (مقارنة مع سبائك 7xxx الأقدم) وعندما تبرر وفورات الوزن التكاليف الإضافية للمواد والمعالجة. ويتم اختيارها بدلاً من السبائك منخفضة القوة عندما يكون مطلوب أداء هيكلي ذروة، وأيضاً بدلاً من بعض سبائك سلسلة 7xxx عندما تكون مقايضات القابلية للتصنيع أو مقاومة التآكل مفضلة.

أنواع التصلب

درجة التصلب	مستوى القوة	الاستطالة	قابلية التشكيل	قابلية اللحام	ملاحظات
O	منخفضة	عالية	ممتازة	ممتازة	معتدل بالكامل، يستخدم للتشكيل المعقد والربط قبل التقوية
H14	منخفضة–متوسطة	متوسطة	جيدة	مقبولة	مُصلب بالتشويه ومستقر جزئياً لقوة معتدلة وقابلية تشكيل جيدة
T5	متوسطة–عالية	منخفضة–متوسطة	مقبولة	ضعيفة–مقبولة	مبرد من درجة حرارة مرتفعة ومعتمل صناعياً؛ مناسب للسباكة البثق
T6	عالية	منخفضة	ضعيفة	ضعيفة	معالجة محلول حراري، تبريد ثم تصلب صناعي؛ يوفر قوة شبه قصوى
T651	عالية	منخفضة	ضعيفة	ضعيفة	T6 مع تخفيف إجهاد بواسطة شد لتقليل الضغوط المتبقية بعد التبريد
T76 / T77	متوسطة–عالية	متوسطة	أفضل من T6	ضعيفة	تصلب زائد أو تعديل التصلب لتحسين مقاومة تشقق الإجهاد بالتآكل مع بعض التنازل عن القوة القصوى

تؤثر درجة التصلب بشكل رئيسي على التوازن بين القوة والليونة: درجات التصلب المعتدلة والمصلبة بالتشويه تقدم أفضل قابلية للتشكيل بينما درجات T6/T651 توفر أعلى قوة ثابتة. التصلب الزائد (T76/T77) هو اختيار إنتاجي شائع عندما تكون هناك حاجة لتحسين مقاومة تشقق الإجهاد بالتآكل على حساب بعض القوة القصوى.

التركيب الكيميائي

العنصر	نسبة %	ملاحظات
Si	0.10–0.50	مزيل أكسدة ومكون لطور حدود الحبيبات؛ كميات زائدة تقلل المتانة
Fe	≤0.50	عنصر شوائب؛ يساهم في تداخلات معدنية تقلل الليونة
Mn	≤0.30	يسيطر على بنية الحبيبات ويحسن المتانة بشكل هامشي
Mg	1.8–2.6	عنصر تقوية رئيسي؛ يشكل ترسيبات MgZn2 مع Zn
Cu	0.8–1.9	يرفع القوة والصلادة ولكنه قد يقلل مقاومة التآكل إذا زاد عن الحد
Zn	5.0–6.5	المسهم الرئيسي في القوة من خلال ترسيبات Mg‑Zn؛ أساسي للقوة العالية
Cr	0.05–0.25	سبائك دقيقة للتحكم في إعادة التبلور وتحسين المتانة
Ti	≤0.20	مُحسن لبنية الحبيبات عند إضافته بكميات صغيرة أثناء الصب/البثق
عناصر أخرى / توازن Al	التوازن	كميات ضئيلة من Zr وV أو عناصر أخرى قد تكون موجودة للتحكم في الترسيب ونمو الحبيبات

تحدد توازنات الزنك والمغنيسيوم والنحاس التركيب الأساسي للترسيب الذي يحدد القوة القصوى بعد المعالجة بالحرارة والترسيب. يتم استخدام عناصر السبائك الدقيقة مثل Cr وZr وTi عمدًا للتحكم بحجم الحبيبات، الحد من إعادة التبلور، وتثبيت الميكروهيكل أثناء المعالجة الحرارية الميكانيكية، مما يحسن المتانة ومقاومة التشقق الناتج عن التبريد السريع.

الخواص الميكانيكية

يسلك 8075 في اختبار الشد سلوكًا مشابهًا لسبائك تصلب بالترسيب عالية الزنك الأخرى: ترتفع مقاومة الخضوع وقوة الشد بشكل حاد بعد المعالجة بالحرارة والترسيب الصناعي بينما تقل الليونة. درجات التصلب عند الذروة (T6/T651) تقدم قوة خضوع عالية واحتفاظًا جيدًا بمعامل المرونة، في حين توفر الدرجات المعاد تجانسها أو H استطالة فائقة لعمليات التشكيل. تتأثر مقاومة الإجهاد بشكل كبير بحالة السطح، السمك، والضغوط المتبقية، مع إمكانية زيادة عمر التعب بشكل ملحوظ باستخدام الترصيع بالرصاص والتشطيب السطحي الدقيق.

في التطبيق الهندسي، يمكن أن تقترب قوة الخضوع للدرجات القصوى من قيم سبائك 7xxx عالية القوة؛ إلا أن معدلات نمو شقوق التعب ومتانة الضرر حساسة للميكروهيكل وتاريخ التصنيع. يتناسب قياس الصلادة ارتباطًا وثيقًا مع قوة الشد ويستخدم في الإنتاج لمراقبة حالة التصلب، حيث توفر اختبارات صلادة روكويل أو فيكرز تقييمًا سريعًا للحالة. تؤثر سمك القطع بشكل ملحوظ: الأجزاء السميكة تبرد أبطأ بعد التبريد السريع وقد تظهر كثافة ترسيب أقل ومن ثم قوة أقل ما لم تُدار بتقنيات معالجة محكومة أو جداول تصلب زائدة.

الخاصية	O/معتدل	درجة التصلب الرئيسية (T6/T651)	ملاحظات
قوة الشد	~200–320 MPa (نموذجي للتعتيق الثقيل)	~470–540 MPa (نموذجي لتصلب الذروة)	مجموعة واسعة تعتمد على السمك، التصلب، والكيمياء الدقيقة
مقاومة الخضوع	~70–180 MPa	~400–480 MPa	تختلف مقاومة الخضوع حسب تسلسل التصلب؛ قيم T6/T651 عالية للاستخدام الإنشائي
الاستطالة	15–25%	6–12%	تنخفض الاستطالة بشكل كبير في حالات التصلب القصوى
الصلادة	~40–75 HV	~150–185 HV	تتوافق الصلادة مع تصلب التقدم وتستخدم لمراقبة الجودة أثناء المعالجة الحرارية

الخواص الفيزيائية

الخاصية	القيمة	ملاحظات
الكثافة	~2.78 g/cm³	نموذجية لسبائك الألومنيوم عالية الزنك؛ تستخدم لحساب الكتلة
نطاق الانصهار	الصلب ~480–510 °C؛ السائل ~640–655 °C	السباكة تزيد نطاق الانصهار مقارنة بالألومنيوم النقي
التوصيل الحراري	~120–150 W/m·K (حسب درجة التصلب)	أقل من الألومنيوم النقي عالي النقاء بسبب عناصر السبائك
التوصيل الكهربائي	~28–40 % IACS	ينخفض مع زيادة محتوى Zn وCu؛ يختلف حسب التصلب والمعالجة
السعة الحرارية النوعية	~0.88–0.92 kJ/kg·K	نموذجية لسبائك الألومنيوم في التطبيقات الإنشائية
التمدد الحراري	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	معامل التمدد القياسي للألومنيوم في التصميم الإنشائي

تعكس الخواص الفيزيائية المحتوى المرتفع من السبائك: حيث تتعرض التوصيلية الحرارية والكهربائية للتخفيض مقارنة بالألومنيوم منخفض السبائك لكنها تظل مفضلة مقارنة بالصلب عند قياسها على أساس الكتلة. درجات حرارة الانصهار/الصلب مهمة لعمليات اللحام ونوافذ المعالجة الحرارية؛ حيث يزيد النطاق النسبي الواسع للانصهار والمركبات المعدنية منخفضة الانصهار المرتبطة بالسباكة من مخاطر التشققات الساخنة أثناء اللحام بالانصهار.

أشكال المنتج

الشكل	السماكة/الحجم النموذجي	سلوك القوة	المطابقات الشائعة	ملاحظات
ألواح (Sheet)	0.5–6.0 مم	السمك الرقيق يحقق مقاومات قريبة من الحد الأقصى للقوة بعد المعالجة المعتّقة	O, H14, T5, T6, T651	مستخدمة على نطاق واسع للأغلفة والألواح الهيكلية الرقيقة
صفائح (Plate)	6–200+ مم	الأجزاء السميكة تحتاج إلى تبريد دقيق وقد تحقق مقاومة أقل من الحد الأقصى	O, T6, T651	الصفائح السميكة تحتاج إلى تبريد منظم أو يمكن استخدامها بحالات معالجة مبالغ فيها (Overaged)
بثق (Extrusion)	مقاطع عرضية متغيرة	تعتمد القوة على سماكة المقطع ونوع المعالجة T	T5, T6, T651	البثق قابل للتقسية بالتعتيق؛ يمكن تحقيق مقاطع معقدة مع التوحيد الحراري المنظم
أنابيب (Tube)	نطاق القطر الخارجي يتغير	خالية من اللحام أو ملحومة؛ الخواص الميكانيكية تعتمد على سمك الجدار والمعالجة الحرارية	O, T6	شائعة لأنابيب الهيكل ذات القوة العالية وقطع الهيكل الأساسية
قضبان/أسياخ (Bar/Rod)	أقطار تصل حتى 200 مم	القضبان تحتاج إلى معالجة محلول وتبريد منظم للوصول لأعلى خصائص	O, T6	تستخدم حيث الحاجة إلى عزم مقاومة عالي وقوة موضعية

تختلف عمليات التصنيع كثيراً بين المنتجات الرقيقة والسميكة بسبب سيطرة معدل التبريد على نواة ترسيب المواد خلال عملية التعتيق. الألواح الرقيقة والبثق تُبرّد بسرعة وتحقق قوى أعلى بعد التعتيق العادي؛ أما الصفائح والقضبان الكبيرة فتحتاج غالباً إلى معالجات حرارية معدلة أو تضحية ببعض القوة القصوى لتجنب تشقق ناتج عن التبريد السريع أو خواص غير متجانسة. يجب على المهندسين اختيار الشكل والمعالجة بما يتناسب مع توازن القابلية للتشكيل، القوة النهائية، وطريقة التصنيع.

الدرجات المعادلة

المعيار	الدرجة	المنطقة	ملاحظات
AA	8075	الولايات المتحدة	تعيير شائع يستخدمه المصنعون والموردون
EN AW	غير موحد على نطاق واسع	أوروبا	لا يوجد نظير مباشر 1:1 في EN؛ غالبًا ما يشير المصممون إلى EN AW-7075 أو EN AW-7020 كأنالوج وظيفي مع مراجعة دقيقة
JIS	غير موحد مباشرة	اليابان	لا يُدرج نظير عادة؛ يُستخدم المواصفات المحلية وأوراق بيانات الموردين
GB/T	غير موحد على نطاق واسع	الصين	لا يوجد معيار GB/T مباشر؛ قد تزود المصانع الصينية سبائك مشابهة تحت تسميات خاصة

لا يوجد معادل موحد 1:1 عبر جميع المعايير لـ8075؛ حيث يضبط السبيكة أساساً بمواصفات المورد ومتطلبات صانعي الطائرات. عند الاستبدال في مشاريع دولية، يجب على المهندسين مقارنة الكيمياء التفصيلية، استجابة المعالجة الحرارية، وخواص الميكانيكية بدقة بدلاً من الاعتماد فقط على تسمية الدرجة، لأن الفروق الصغيرة في نسب Cu/Mg/Zn أو العناصر الدقيقة قد تؤثر بشكل ملموس على استجابة التعتيق والأداء ضد التآكل.

مقاومة التآكل

مقاومة التآكل الجوي لـ8075 نموذجية للسبائك المحتوية على Zn العالي والمعالجة بالتقسية بالتعتيق: أداء معتدل في الأجواء المعتدلة لكنه حساس لآثار الكلوريد العالية أو الأجواء الملوثة بدون طلاءات حماية. يزداد خطر التآكل القشري والهجوم بين الحبيبات عندما تكون البنية المجهرية ذات قوى قمة عالية، خاصة في الأجزاء السميكة أو بعد عمليات تصنيع خاطئة، لذلك تُستخدم تغطية الزنك، الطلاءات التحويلية، الأكسدة الكهربية أو الطلاءات العضوية بشكل شائع في التطبيقات المكشوفة.

في البيئات البحرية يتطلب 8075 تدابير تصميم وحماية لأن التآكل الناتج عن التشققات النقطية بفعل الكلوريد والتآكل الموضعي قد يطلق تشققات الإجهاد؛ ومع ذلك، عند تغطيته وتفصيله بشكل صحيح يمكن استخدامه في الهياكل البحرية العلوية حيث يكون تخفيف الوزن ضروريًا. تعد حساسية التشقق بالتآكل التوتر (SCC) عامل تصميم حاسم: الحالات المعالجة بأقصى تعتيق (T6/T651) تظهر حساسية SCC أعلى، وتستخدم استراتيجيات التعتيق المبالغ فيه (T76/T77) أو المعالجات الحرارية الميكانيكية لتحسين مقاومة SCC بتكلفة قوة معقولة.

يجب إدارة التفاعلات الكهروكيميائية عبر التصميم: حيث أن 8075 أنودي مقارنة بالعديد من الفولاذ المقاوم للصدأ وسبائك النحاس، فيتطلب الحذر عند اقترانه مع معادن مختلفة. مقارنة بسلسلة 5xxx (مثلاً 5052)، يمنح قوة أعلى لكن مقاومة intrinsically أقل للتآكل؛ وبالمقارنة مع سبائك 7xxx القديمة، غالباً ما يتم تعديل 8075 لتحسين مقاومة التآكل القشري عبر التسباك الجزئي وممارسات تعتيق معدلة.

خصائص التصنيع

قابلية اللحام

اللحام بالاندماج لـ8075 يمثل تحدياً بسبب المحتوى العالي من Zn وMg الذي يشجع على تشققات حرارية وينتج منطقة حرارية ملينة (HAZ) مع فقدان كبير في القوة. يعتبر اللحام بالاحتكاك والتحريك (FSW) الطريقة المفضلة للانضمام في التطبيقات الهيكلية لأنه يحافظ على توزيع المواد المتراكبة الدقيقة ويقلل من تليين HAZ. إذا كان اللحام بالاندماج ضرورياً، فيجب استخدام حشوات منخفضة القوة، ومعالجات حرارية قبل وبعد اللحام أو مثبتات ميكانيكية، ويُتوقع أن يكون الوصل الملحوم بقوة أقل بكثير من المعدن الأساسي ما لم تُستخدم عمليات متخصصة.

قابلية التشغيل (Machinability)

تُقيّم قابلية التشغيل لـ8075 بشكل معتدل؛ تُشغّل السبائك بسهولة أكبر في المطابقة المقاربة للمعالجة اللينة (O) وتصبح أكثر تحدياً في المطابقات العالية التعتيق حيث تزيد الصلادة من استهلاك أدوات القطع. يوصى باستخدام أدوات كربيد بزاوية انحدار إيجابية عالية وتركيبات صلبة، ويجب تفضيل سرعات قص عالية مع تبريد وافر لمنع تراكم الحافة. التحكم في الرقائق يميل لأن يكون متقطعًا للسمك الرقيق ومستمرًا للمطابقات اللينة المطيلة، لذا يجب اختيار هندسة الأدوات واستراتيجية التبريد بما يتوافق مع إفراز الرقائق وتحسين سطح القطعة.

قابلية التشكيل

تكون عمليات التشكيل أسهل في المطابقات O والمقاسة قليلاً حيث يكون الاستطالة والانحناء عاليين؛ أما المطابقات ذات القوة القصوى مثل T6 فهي غير مناسبة للتشكيل البارد المعقد بدون عمليات أنيل وسطية. يجب أن تكون نصف أقطار الانحناء في T6 محافظة (عادة ≥3–6 × السماكة حسب الأدوات ونصف القطر)، ويمكن تنفيذ التشميع أو التشكيل في الحالات ما قبل التليين تتبعها معالجة حرارية بعد التشكيل لاستعادة القوة. للتطبيقات بنصف قطر ضيق أو السحب العميق، يُفضل طلب المواد في حالة O والتخطيط لمراحل المعالجة الحرارية التالية مثل المعالجة بالمحلول والتعتيق إذا كانت القوة النهائية مطلوبة.

سلوك المعالجة الحرارية

باعتبارها سبيكة قابلة للمعالجة الحرارية، تستجيب 8075 إلى ممارسات معالجة محلول ثم تبريد وتعتيق تقليدية. عادةً يتم تنفيذ معالجة المحلول عند درجات حرارة قريبة من الحد الصلب للسبيكة (حوالي 475–500 °C حسب حجم المقطع) لإذابة الطور القابل للذوبان، يتبعها تبريد سريع فوري للحفاظ على محلول صلب مشبع للغاية. التعتيق الصناعي يتبع، حيث يمثل T5 تعتيق صناعي مباشر بدون معالجة محلول سابقة، وT6 تعني معالجة محلول متبوعة بالتعتيق؛ تتراوح درجات التعتيق عادة بين 120 إلى 180 °C حسب الموازنة المطلوبة بين القوة والمتانة.

يشير T651 إلى مطابقة T6 مع تمدد منظم أو إزالة إجهاد بعد التبريد لتقليل التشوهات المتبقية في القطع الهيكلية، وهو شائع في الصفائح المستخدمة في الطيران. يستخدم التعتيق المبالغ فيه (T76/T77) تعتيقًا أطول أو بدرجة حرارة أعلى لتكبير الجزيئات المتراكبة وتقليل الحساسية للتشققات بالتآكل وتآكل التقشير، مما يؤدي إلى قوة قصوى أقل وأداء بيئي محسّن. السلوك غير القابل للمعالجة الحرارية يقتصر على العمل البارد قبل التعتيق والتليين المستخدم لاستعادة اللدونة قبل المعالجة النهائية.

الأداء في درجات الحرارة العالية

تُفقد 8075 جزءاً ملحوظاً من قوتها مع ارتفاع درجة الحرارة فوق درجة الحرارة المحيطة؛ فتتدهور معظم مقاومة الهيكل فوق ~100–150 °C ولا تصلح للاستخدام المستمر عند درجات الحرارة المرتفعة الموجودة في محركات الطائرات أو الهياكل الساخنة. التأكسد في الهواء محدود (الألمنيوم يشكل أكسيداً واقياً)، لكن درجات الحرارة المرتفعة تسرع تطور المطابقة وتكبير الجزيئات المتراكبة، مما يقلل من الخواص الميكانيكية وقد يغير مقاومة التآكل.

المنطقة المتأثرة حرارياً (HAZ) الناتجة أثناء اللحام ستظهر كذلك تعتيقًا مفرطًا وتليينًا موضعيًا، مما يزيد فقد القوة قرب اللحامات ويجعل تفاصيل التصميم للهياكل الساخنة حرجة. للتعرضات القصيرة أو عمليات مثل اللحام بالبركة (brazing)، يتطلب الأمر إدارة حرارية دقيقة ومعالجات حرارية قبل وبعد لتجنب تغيرات مجهرية ضارة.

التطبيقات

الصناعة	المكون النموذجي	سبب استخدام 8075
الطائرات	أغلفة الهيكل، التركيبات الهيكلية	نسبة قوة إلى وزن عالية وخصائص إجهاد وتشطيب جيدة لهياكل الطائرات
البحرية	عناصر هيكلية خفيفة الوزن	توفير الوزن وأداء جيد ضد التآكل عند الطلاء والتفصيل الصحيح
السيارات/النقل	مكونات الهيكل والتعليق عالية الأداء	قوة نوعية عالية تقلل من الكتلة وتحسن الاستجابة الديناميكية
الإلكترونيات	الدعامات والتركيبات الهيكلية	مزيج من القوة والموصلية الحرارية لمسارات حرارية هيكلية

ختاماً، يركز ملف تطبيقات 8075 على الحالات التي تتطلب قوة ثابتة وإجهادية عالية حيث يمكن للمصممين تبرير عمليات التصنيع المتخصصة أو المعالجات الوقائية. يكون استخدامه أكثر فاعلية في الهياكل الحساسة للوزن التي لا يمكن للسبائك الألمنيوم التقليدية تحقيق أهداف القوة فيها دون زيادة في السماكة.

رؤى الاختيار

للحصول على إرشادات اختيار سريعة، اختر درجة 8075 عندما تحتاج إلى سبيكة قابلة للتقسية بالترسيب ذات قوة عالية وأداء ميكانيكي بمعايير الطيران، وقادر على التكيف مع محدودية قابلية اللحام واحتياطات الحماية من التآكل. يُفضل تحديدها عندما تكون صلابة الوزن الحرجة وأداء التعب العالي من عوامل التصميم، وعندما تتوفر قدرات المعالجة مثل اللحام بالتدحرج الاحتكاكي (FSW)، التبريد المتحكم به، والتقدّم الحراري المتخصص.

بالمقارنة مع الألومنيوم النقي تجاريًا (1100)، تضحّي 8075 بالتوصيل الكهربائي والحراري وكذلك قابلية التشكيل لصالح قوة ومقاومة تعب أعلى بكثير. مقارنة مع سبائك العمل الصلب الشائعة (3003 / 5052)، تتميز 8075 بقوة أعلى بشكل ملحوظ لكنها عادةً ما تحتاج إلى طلاءات وضبط دقيق لمقاومة التآكل لمضاهاة متانة سلسلة 5xxx البيئية. وبالمقارنة مع سبائك المعالجة الحرارية الشائعة مثل 6061 أو 6063، توفر 8075 قوة ذروة أعلى لتطبيقات هيكلية؛ اختر 8075 عندما يكون نسبة القوة إلى الوزن القصوى أهم من قابلية التصنيع الأشمل وسهولة اللحام لعائلة 6xxx.

الملخص النهائي

تظل سبيكة 8075 ذات أهمية للهندسة الحديثة حيث تكون القوة النوعية العالية وأداء التعب المعدّل ضرورية، وعندما تكون عمليات التصنيع وتدابير الحماية متوفرة لإدارة التوازنات المتعلقة بقابلية اللحام والتآكل. طبيعتها القابلة للمعالجة الحرارية واستراتيجيات التقدم الحراري القابلة للتكيف تجعلها مادة مفيدة لتطبيقات هيكلية عالية الأداء وحساسة للوزن.