ألمنيوم 8090: التركيب الكيميائي، الخواص، دليل المعالجات، والتطبيقات
شارك
Table Of Content
Table Of Content
نظرة شاملة
تنتمي سبائك 8090 إلى سلسلة 8xxx من سبائك الألومنيوم، وهي عائلة تتميز بوجود الليثيوم كإضافة سبائكية رئيسية. تم تطوير هذه السبائك لتحقيق نسبة قوة إلى وزن ملائمة وزيادة معامل المرونة عن طريق إضافة الليثيوم بمستويات كافية لتقليل الكثافة وتعديل طيف الترسيب مقارنةً بأنظمة Al-Cu/Mg التقليدية.
تشمل العناصر السبائكية الرئيسية في 8090 عادةً الليثيوم والنحاس والمغنيسيوم مع إضافات صغيرة من الزركونيوم وعناصر أثرية للتحكم في إعادة التبلور وتركيب الحبيبات. يعمل الليثيوم على خفض الكثافة وزيادة معامل المرونة، ويوفر كل من النحاس والمغنيسيوم تقسية بالترسيب، ويتم إضافة الزركونيوم أو التيتانيوم كمواد مصغرة للحبيبات ولتكوين تجمعات دقيقة من المواد المتفرقة التي تثبت البنية المجهرية ضد تقدم الفقد في الخصائص مع الزمن (over-aging).
تعد سبائك 8090 من السبائك القابلة للمعالجة الحرارية التي تكتسب قوتها بشكل أساسي من خلال المعالجة الحرارية بالتعادل، والتبريد السريع، والتعتيق الاصطناعي لإنتاج ترسيبات دقيقة (عادة مركبات بين فلزية من نوع T1-, δ′- وS حسب التركيبة الكيميائية). تجمع هذه السبيكة بين قوة نوعية مرتفعة وتحسين مقاومة نمو تشققات الإجهاد ومقاومة معتدلة للتآكل مقارنة بالعديد من سبائك 2xxx عالية القوة، مما يجعلها جذابة حيثما يكون تقليل الوزن الحيوي والأداء الهيكلي العالي مطلوبين.
تستخدم سبائك 8090 عادة في الصناعات الجوية لهياكل الطائرات الأولية والثانوية، والنقل الأرضي عالي الأداء (حيث الوزن عنصر حرج)، والأجهزة العسكرية أو الفضائية المتخصصة. يفضل المهندسون سبائك 8090 على السبائك الأخرى عندما يكون التصميم يركز على قوة نوعية عالية وصلابة مرتفعة، وتقليل وزن القطعة، ومقاومة للتعب حتى وإن كان ذلك يتطلب حدود معالجة أكثر تضييقاً ورقابة أكثر دقة على التآكل.
تنويعات المعالجات الحرارية (Temper)
| المعالجة | مستوى القوة | الاستطالة | قابلية التشكيل | قابلية اللحام | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|---|
| O | منخفض | مرتفع (20–30%) | ممتاز | ممتاز | مُعالج بالكامل بالتلدين، الأفضل للتشكيل والربط |
| T3 | متوسط-مرتفع | متوسط (10–18%) | جيد | متوسط | معالجة بالحل، معالجة باردة، تعتيق طبيعي؛ خصائص متوازنة |
| T4 | متوسط | متوسط-مرتفع (12–20%) | جيد | متوسط | معالجة بالحل وتعتيق طبيعي؛ قوة وسطية |
| T6 | عالي | منخفض-متوسط (6–12%) | محدودة | صعبة | تعتيق اصطناعي قمة؛ أعلى قوى إجهاد ثابتة شائعة |
| T8 | عالي | منخفض-متوسط (6–12%) | محدودة | صعبة | معالجة بالحل، معالجة باردة، وتعتيق اصطناعي لتحسين الصلابة |
| T86 | عالي | منخفض-متوسط (6–12%) | محدودة | صعبة | نوع T8 مع استقرار محكوم للحد من انحراف الخصائص |
| H1x / H2x | متفاوت | متفاوت | متفاوت | جيد | حالات تقسية بالتشوه مطبقة على الصفائح أو المقاطع من أجل شكل وقوة محددين |
اختيار المعالجة الحرارية في 8090 يؤثر بشكل كبير على الأداء الثابت والدوري لأن تسلسل الترسيب وتوزيع المواد المتفرقة حساسان لدرجة الحرارة والتشوه. توفر حالات التعتيق القمة (T6/T8/T86) أعلى شدات وخضوع ولكن على حساب اللدونة وقابلية التشكيل؛ تُستخدم حالات التلدين أو التعتيق الخفيف حيث يكون التشكيل أو الربط ذو أولوية.
التركيب الكيميائي
| العنصر | النطاق % | ملاحظات |
|---|---|---|
| Si | 0.05–0.20 | سيليكون منخفض مراقب لتقليل المركبات بين الفلزية الهشة والحفاظ على الصلابة |
| Fe | 0.05–0.25 | محفوظ منخفضاً لتجنب جزيئات بين فلزية كبيرة تقلل عمر التعب |
| Mn | 0.02–0.15 | عنصر ثانوي؛ يؤثر على تركيب الحبيبات وسلوك التآكل |
| Mg | 0.3–1.0 | يتحد مع Cu لتعزيز ترسيبات التقسية وزيادة قوة الهيكل |
| Cu | 2.0–3.0 | عنصر تقوية رئيسي عبر تكوين الترسيبات (مراحل T1, θ′ شبيهة) |
| Zn | 0.05–0.50 | محفوظ منخفضاً؛ زيادة الزنك تعزز القوة لكن تزيد من حساسية التآكل الإجهادي |
| Cr | 0.00–0.10 | نسبة أثرية للسيطرة على حدود الحبيبات والحد من إعادة التبلور |
| Ti | 0.00–0.10 | يضاف لتحسين نقاوة الحبيبات في المنتجات المصبوبة أو المشغولة |
| Li | 1.6–2.5 | ميزانية رئيسية للعائلة؛ يقلل الكثافة ويزيد معامل المرونة |
| Zr | 0.05–0.25 | يضاف لتكوين جسيمات Al3Zr دقيقة تثبت التركيب تحت الحبيبي وتقاوم نمو الحبيبات |
| عناصر أخرى | باقي Al، عناصر أثرية | عناصر أثرية (B, Ca, Sr) تستخدم للتحكم في التصنيع؛ الرجوع لمواصفات المورد |
النطاقات المدرجة هي للممارسات الإنتاجية النموذجية وتختلف حسب المنتج والشركة المصنعة؛ يجب على المستخدمين مراجعة شهادات المصانع للحصول على التركيب الكيميائي الدقيق. يهيمن الليثيوم والنحاس على الأداء: حيث يقلل Li الكثافة ويزيد المعامل، بينما Cu وMg يحددان استجابة التقسية بالترسيب؛ وZr وTi يتحكمان في إعادة التبلور وثبات البنية المجهرية بعد التعتيق.
الخصائص الميكانيكية
في سلوك الشد، تظهر سبائك 8090 زيادة ملحوظة في مقاومة الخضوع ومقاومة الشد مع التعتيق الاصطناعي، بينما تحافظ الحالات الملدنة على لدونة وقابلية تشكيل كبيرة. تكون مقاومات الخضوع في حالات التعتيق القمة أعلى بكثير مقارنة بالحالات الملدنة أو ذات التعتيق الطبيعي، لكن ذلك يصاحبها انخفاض في قدرة التقسية بالعمل وحدود أدنى للتمدد المسموح قبل تشقق المادة.
الصلادة ترتبط ارتباطاً وثيقاً بحالة التعتيق وبالسماكة بسبب حساسية التبريد السريع؛ حيث تصل السماكات الرقيقة عادة إلى مقاومات احتفاظ أعلى بعد التبريد والتعتيق مقارنة بالأجزاء السميكة. مقاومة التعب في 8090 أفضل بشكل عام من العديد من سبائك سلسلة 2xxx ذات القوة المماثلة بسبب البنية الدقيقة للترسيبات والمواد المتفرقة التي تبطئ من بدء وانتشار التشققات.
تؤثر السماكة وشكل المنتج على الخصائص الميكانيكية وحالة المعالجة الممكنة. الألواح السميكة والمقاطع عرضة للترقق akibat softening induced by quenching في الداخل وتتطلب معالجات حرارية معدلة و/أو تحكم بالتعتيق الزائد لتحقيق خصائص متجانسة عبر القسم.
| الخاصية | حالة O / الملدنة | حالة رئيسية (مثل T6/T8/T86) | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| قوة الشد | 160–240 MPa | 420–520 MPa | قوى قمة التعتيق تختلف بحسب التركيب والسماكة |
| قوة الخضوع | 60–140 MPa | 340–420 MPa | نسبة الخضوع إلى الشد تضيق في حالات القوة العالية |
| الاستطالة | 18–30% | 6–12% | تتناقص اللدونة بشكل كبير مع زيادة القوة |
| الصلادة (فيكرز) | 35–50 HV | 120–150 HV | زيادة الصلادة تعكس تغييرات قوة الشد؛ متأثرة بالسماكة |
الخصائص الفيزيائية
| الخاصية | القيمة | ملاحظات |
|---|---|---|
| الكثافة | ~2.62–2.66 جم/سم³ | منخفضة مقارنة بسبائك الألومنيوم التقليدية بسبب محتوى الليثيوم |
| نطاق الانصهار | ~500–655 °C | نطاق صلب-سائل يعتمد على عناصر السبائكية الثانوية؛ قاعدة الألمنيوم ~660 °C |
| التوصيل الحراري | ~110–140 واط/م·ك | أقل من الألمنيوم النقي وبعض سبائك 6xxx؛ يقل بالتسبُّب بالسبائك |
| التوصيل الكهربائي | ~28–38 % IACS | منخفض بسبب عناصر السبائك وحالة الترسيب |
| الحرارة النوعية | ~0.85–0.92 جول/جم·ك | مماثل لسبائك الألومنيوم الأخرى عند درجة حرارة الغرفة |
| المعامل الحراري للتوسع | ~21–24 ×10⁻⁶ /ك (20–100 °C) | أقل قليلاً من سبائك الألومنيوم بسبب الليثيوم؛ مناسب لبعض تطبيقات الاستقرار الأبعادي |
تؤدي الكثافة المنخفضة لسبائك 8090 إلى توفير مباشر في الوزن بالقطع الهيكلية وتساهم في تحسين معامل المرونة النوعي. التوصيلية الحرارية والكهربائية معتدلة مقارنة بالألومنيوم عالي النقاء؛ يجب مراعاة انخفاض التوصيل الحراري في عمليات التصريف الحراري (heat-sinking). يقلل معامل التمدد الحراري المنخفض نسبياً من التقلص والتوسعات غير المرغوبة مما يحسن الاستقرار الأبعادي في التركيبات المعرضة للتغيرات الحرارية المتكررة.
أشكال المنتج
| الشكل | السماكة/الحجم النموذجي | سلوك المقاومة | التمبَر الشائع | ملاحظات |
|---|---|---|---|---|
| ألواح (Sheet) | 0.3–6.0 mm | تجانس جيد في السُمك الرقيق | O, T3, T6, T8 | تستخدم على نطاق واسع للسطوح المشكّلة وألواح جسم الطائرة |
| صفائح (Plate) | 6–50+ mm | قد تنخفض المقاومة في المقاطع السميكة بسبب حساسية التبريد | T6 ومتغيراته، T86 | تتطلب جداول تبريد وتقادم خاصة لتحقيق التجانس |
| بثق (Extrusion) | مقاطع معقدة | مقاومة عالية اتجاه المحور | T3, T6, T8 | تستخدم للقضبان الهيكلية، الدعامات؛ البنية المجهرية تمتد بفعل البثق |
| أنابيب (Tube) | جدار 1–25 mm | خواص محورية جيدة | T6, T8 | الأنابيب المائية تشكّل مناسبة للأطر ذات الوزن الحساس |
| قضبان/أسياخ (Bar/Rod) | Φ5–150 mm | خاصة ميكانيكية متباينة جيدة على طول الطول | T6, T8 | مناسب لتصنيع القطع وتركيبات التثبيت |
تحدد طريقة المعالجة وشكل المنتج الخواص الممكن تحقيقها؛ التحول من الصب إلى التشكيل نادر للسبائك Al-Li؛ معظم منتجات 8090 مصنّعة وتتطلب تحكماً دقيقاً في معالجة الإذابة ومعدلات التبريد. المنتجات الرقيقة عادة ما تصل إلى مقاومات متبقية أعلى بعد التقادم بسبب معدلات تبريد أسرع، بينما تتطلب المنتجات السميكة دورات حرارية معدلة أو معالجات ميكانيكية لاحقة لضمان تجانس الخصائص.
الدرجات المكافئة
| المعيار | الدرجة | المنطقة | ملاحظات |
|---|---|---|---|
| AA | 8090 | الولايات المتحدة الأمريكية | معترف بها من قِبل كبار المنتجين في أمريكا الشمالية؛ توجد متغيرات خاصة بالمورد |
| EN AW | — | أوروبا | لا يوجد مكافئ EN موحد؛ تستخدم سبائك Al-Li مشابهة (استشر المصنع) |
| JIS | — | اليابان | توجد سبائك Al-Li محلية؛ لا يوجد مكافئ JIS مباشر موحد |
| GB/T | — | الصين | تشمل المعايير الصينية سبائك Al-Li بكيميائيات مشابهة ولكن ليست دائماً مطابقة 1:1 |
بما أن 8090 هو تركيب متخصص من Al-Li، لا يوجد مكافئ دولي عالمي واحد مباشر؛ المنتجون الإقليميون غالباً ما يقدمون سبائك بتوازنات Li/Cu/Mg مختلفة تحت تسميات ملكية. يجب على المهندسين مقارنة الكيمياء واستجابة التمبَر بدلاً من الاعتماد فقط على أرقام الدرجات الاسمية عند استبدال المواد عبر الموردين أو المناطق.
مقاومة التآكل
تظهر 8090 في البيئات الجوية مقاومة مقبولة للتآكل العام مماثلة للعديد من سبائك الألمنيوم القابلة للمعالجة الحرارية عند معالجة سطحها بشكل صحيح. وجود Li و Cu يتطلب تحضير سطح محكم وطبقات حماية لأن النحاس يمكن أن يعزز التآكل الموضعي في البيئات العدوانية؛ يتم استخدام الأنودة وطبقات التحويل الحديثة عادة.
السلوك البحري معقول للهياكل المطلية أو المختومة، لكن 8090 العارية في مناطق الرش أو الرذاذ الملحي تظهر زيادة في قابلية الحفر مقارنة ببعض سبائك سلسلة 5xxx المحتوية على المغنيسيوم. التصميم السليم لتجنب الشقوق، التحكم في الإجهادات المتبقية، وعزل المعادن المختلفة ضروري في التطبيقات الساحلية والبحرية.
يوجد خطر تشققات إجهاد التآكل في التمبُّرات عالية القوة، خاصة في البيئات التي تزود بالمواد الكاثودية أو حيث يسرّع الاقتران الجلفاني التلف المحلي. 8090 تقاوم SCC بشكل أفضل من بعض عائلات 2xxx بسبب توزيع الترسيبات، لكنها أقل مقاومة SCC من العديد من سبائك 5xxx؛ تُستخدم تدابير التصميم والمعالجات اللاحقة للحام كإجراء شائع. التفاعلات الجلفانية مع الفولاذ المقاوم للصدأ أو مركبات ألياف الكربون تتطلب حواجز عزلة أو أنودات تضحياتية لمنع التآكل المتسارع.
خواص التصنيع
قابلية اللحام
تعد 8090 أكثر تحدياً للحام مقارنة بالسبائك غير القابلة للمعالجة الحرارية بسبب تأثير الليثيوم على مسامية معدن اللحام واحتمالية التشققات الساخنة في أنظمة Al-Cu عالية القوة. يمكن إجراء اللحام بالاندماج (GTAW/MIG) على تمبُّرات O أو التقادم الزائد بحذر؛ ومع ذلك تفقد التمبُّرات عالية القوة الصلادة في منطقة التأثير الحراري وغالباً ما يلزم إصلاح ما بعد اللحام أو المعالجة الحرارية المحلية. عند الحاجة للحام، يُنصح باستخدام سبائك حشوة مصممة لأنظمة Al-Li أو سبائك حشو Al-Mg منخفضة الحساسية، وينبغي تحديد إجراءات حرارية ميكانيكية قبل وبعد اللحام للسيطرة على التشوه وفقدان الخصائص.
قابلية التشغيل
تشبه قابلية التشغيل في 8090 سبائك الألمنيوم عالية القوة الأخرى؛ إنها تُشغل بشكل جيد باستخدام أدوات كربيد لكنها أكثر تآكلاً من السبائك عالية النقاء بسبب المشتتات الصلبة والجزيئات البينية المعدنية. سرعات القطع الموصى بها معتدلة مع استراتيجيات قوية لكسر الرقائق؛ التبريد وإخراج الرقائق مهمان لتجنب تراكم الحواف والتسخين. هندسة الأدوات التي تفضل زوايا رشاقة إيجابية ومعدلات تغذية عالية مع عمق قطع منخفض تعطي أفضل الأسطح وعمر الأدوات.
قابلية التشكيل
يكون تشكيل 8090 أكثر فاعلية في التمبُّرات المخمدة أو المصقولة خفيفاً؛ السبائك لها قابلية محدودة للتمدد في الظروف ذات التقادم الأقصى وتميل إلى التشققات إذا تجاوز التشويه حدود الليونة. يجب أن تكون أنصاف أقطار الانحناء واسعة في التمبُّرات عالية القوة — حيث يبلغ الحد الأدنى المعتاد لانحناء عدة أضعاف سماكة اللوح اعتماداً على التمبَر والاتجاه. حيث يلزم تشكيل شديد، يمكن الاعتماد على معالجة الإذابة والتقسية المحكومة أو الطرق التشكيلية التدريجية، كما يمكن للأساليب التشكيلية الدافئة تحسين الليونة لبعض الأشكال.
سلوك المعالجة الحرارية
8090 قابل للمعالجة الحرارية ويستجيب لمعالجات الإذابة والتقادم الصناعي التي تنتج ترسيبات دقيقة ومتجانسة. تقع درجات حرارة المعالجة النموذجية في نطاق منتصف 500 °C اعتماداً على حجم المقطع والكيمياء؛ فترة الإذابة والتبريد السريع ضروريان لتقليل تكوين الترسيبات الخشنة واحتفاظ المذاب للمعالجة التقادمية اللاحقة.
يتم عادة تقادم السبيكة الصناعية في نطاق 120–190 °C لسبائك Al-Li؛ ويتم تحقيق الخصائص القصوى من خلال توازن دقيق في جداول الوقت-درجة الحرارة (عائلة T6/T8) التي توازن بين تكوين المراحل المقوية والاحتفاظ بالليونة الكافية والمقاومة للتآكل. يمكن استخدام التقادم الزائد في بعض التطبيقات لتحسين مقاومة تشققات الإجهاد والتآكل والصلادة على حساب القوة القصوى، وتُستخدم تمبُّرات T86 المستقرة للحفاظ على الخصائص أثناء الخدمة.
التقوية غير المعالجة حرارياً ليست المسار الأساسي لـ 8090، لكن العمل البارد بعد الإذابة وقبل التقادم (T8) هو ممارسة معيارية لزيادة مقاومة الخضوع وتحسين أداء التعب عن طريق تحفيز نواة ترسيبات التقوية بواسطة التشوّه.
الأداء في درجات الحرارة العالية
النطاق الحراري القابل للاستخدام لـ 8090 في التطبيقات الحاملة للأحمال محدود عمومًا إلى ما دون درجات حرارة المعالجة التقادمية؛ إذ يؤدي التعرض المستمر فوق ~150–175 °C إلى تليين تدريجي وفقدان قوة التقادم الأقصى. يسرع التعرض للحرارة العالية تكبير الترسيبات وحل المراحل الدقيقة المقوية، مما يقلل من الخصائص الساكنة وأداء التعب.
الأكسدة عند درجات حرارة الخدمة ضئيلة لأن الألمنيوم يشكل طبقة حماية من Al2O3؛ لكن البيئات العالية الحرارة مع أنواع كيميائية عدوانية يمكن أن تضعف الأفلام الواقية. تكون منطقة التأثير الحراري للحام معرضة خصيصاً للتقادم الزائد والتدهور المدفوع بالإجهادات المتبقية عند تعرض المكونات لدرجات حرارة عالية عابرة.
التطبيقات
| الصناعة | مثال على المكون | سبب استخدام 8090 |
|---|---|---|
| الفضاء الجوي | أسطح جسم الطائرة، عوارض الأرضية، تركيبات هيكلية | قوة وصلابة نوعية عالية مع توفير في الوزن |
| البحرية | مكونات هيكلية عالية الأداء ومستلزماتها | تحسين نسبة القوة إلى الوزن؛ مناسبة مع الطلاء والعزل |
| الفضاء الجوي/العسكري | الدعامات، الإطارات، تركيبات معدات الهبوط (ثانوية) | مقاومة التعب وتقليل الكتلة للأحمال الديناميكية |
| الإلكترونيات | هياكل خفيفة الوزن | قوة إلى وزن جيدة وثبات أبعادي |
يُختار 8090 في التصاميم حيث يحقق كل كيلوغرام موفّر مزايا أداء على مستوى النظام وحيث يمكن لأنظمة المعالجة والتشطيب السيطرة على نقاط الضعف البيئية أو التصنيعية.
نصائح للاختيار
استخدم 8090 حين يكون تقليل الكتلة والصلابة النوعية العالية هي المتطلبات الأساسية وتوفر منشآت التصنيع القدرة على التحكم في المعالجة الحرارية، التبريد، وحماية التآكل. يتفوق حيث تكون مقاومة التعب لكل وحدة وزن حرجة وحيث يمكن تبرير التكاليف الأعلى للشراء والمعالجة بتحسينات الأداء.
مقارنةً بالألمنيوم النقي تجارياً (مثل 1100)، تتنازل 8090 عن التوصيل الكهربائي/الحراري وسهولة التشكيل لصالح قوة ومعامل مرونة أعلى بكثير. مقارنة بسبائك العمل المصلب الشائعة (مثل 3003 / 5052)، توفر 8090 قوة قصوى أعلى بكثير ومقاومة نمو تشققات التعب أفضل لكنها تتطلب حماية تآكل أكثر حرصاً وقابلية تشكيل أقل في التمبُّرات عالية القوة. مقارنة بالسبائك القابلة للمعالجة الحرارية المنتشرة (مثل 6061 / 6063)، غالباً ما تقدم 8090 قوة وصلابة نوعية متفوقة رغم تشابه أو انخفاض طفيف في القوة القصوى المطلقة؛ اختر 8090 حيث تكون الكتلة والمعامل حاسمة وتتوافر قدرات المورد للمعالجة الخاصة بـ Al-Li.
الملخص الختامي
لا يزال 8090 مناسبًا في الحالات التي تتطلب قوة نوعية عالية، وتحسين الصلابة، وأداء عالي في مقاومة التعب، مما يبرر الحاجة إلى مراقبة عمليات التصنيع بشكل أدق وتطبيق إجراءات الحماية. عند استخدامه مع اختيار التصلب المناسب، والحماية السطحية، وممارسات التصنيع الملائمة، يوفر 8090 مسارًا فعالًا نحو هياكل خفيفة الوزن وعالية الأداء في صناعة الطيران وغيرها من الصناعات الحساسة للوزن.