Aluminio 7051: Composición, Propiedades, Guía de Temple y Aplicaciones

Resumen Integral

7051 es un miembro de la serie 7xxx de aleaciones de aluminio forjado, situándose en la familia de alta resistencia que contiene zinc dentro del sistema Al-Zn-Mg-Cu. La aleación está diseñada para una alta resistencia específica y desempeño en aplicaciones donde la relación resistencia-peso y la resistencia a la fatiga son los factores principales, en lugar de la máxima resistencia a la corrosión o facilidad de unión.

Los principales elementos de aleación en el 7051 son zinc y magnesio con adiciones controladas de cobre y niveles traza de cromo y titanio para el control del tamaño de grano y la recristalización. La aleación es tratable térmicamente: sus propiedades máximas se logran mediante tratamiento de solución, enfriamiento rápido y envejecimiento artificial controlado para precipitar finas fases metastables de Mg-Zn que proporcionan endurecimiento por precipitación.

Las características clave incluyen una resistencia a la tracción y límite elástico muy altos en relación con grados comunes de aluminio estructural, resistencia a la corrosión general moderada a pobre comparada con las familias 5xxx/6xxx a menos que esté sobremadurada, y soldabilidad y conformabilidad limitadas en estados de temple máximo. Las industrias típicas que utilizan 7051 son aeroespacial y estructuras de alto rendimiento en defensa, automovilismo deportivo y sectores selectos de transporte de alta gama que requieren optimización en resistencia, rigidez y comportamiento a la fatiga.

Los ingenieros eligen 7051 sobre otras aleaciones cuando se necesita reducción de masa a nivel componente y capacidad sostenida a esfuerzos elevados, y cuando las rutas de fabricación pueden acomodar el tratamiento térmico y mitigación especializada de corrosión. Esta aleación es preferida donde variantes de mayor resistencia de la serie 7xxx (p. ej., 7075) no cumplen con estabilidad específica de templado o donde la combinación particular de Zn/Mg/Cu y control microestructural de 7051 ofrece mejor comportamiento retardante de propagación de grietas por fatiga.

Variantes de Temple

Temple	Nivel de Resistencia	Alargamiento	Conformabilidad	Soldabilidad	Notas
O	Bajo	Alto	Excelente	Excelente	Recocido completo, máxima ductilidad
T6	Alto	Bajo–Moderado	Regular–Pobre	Pobre	Tratado en solución y envejecido artificialmente para resistencia máxima
T651	Alto	Bajo–Moderado	Regular–Pobre	Pobre	T6 + alivio de tensiones por elongación para reducir tensiones residuales
T73 / T76 / T7x	Moderado	Moderado	Regular	Pobre–Moderado	Templados sobremadurados para mejorar resistencia a grietas por corrosión bajo tensión (SCC) y resistencia a la corrosión
Hxx (p. ej., H111, H116)	Variable	Variable	Variable	Moderado	Endurecido por deformación o deformado + recocido parcial para propiedades intermedias

El tratamiento térmico y el temple determinan si el 7051 se ajusta para máxima resistencia (T6/T651) o para mayor resistencia a la corrosión por esfuerzo y mejor tenacidad (T7x/T73/T76). El temple O se usa para operaciones de conformado y procesamiento secundario antes del tratamiento térmico final, mientras que los templados sobremadurados sacrifican algo de resistencia máxima para obtener resistencia significativamente mejorada a la SCC y estabilidad durante excursiones térmicas.

Composición Química

Elemento	Rango %	Notas
Si	≤ 0.40	Impureza de fundición/procesamiento; mantenido bajo para evitar fases frágiles
Fe	≤ 0.50	Impureza; niveles altos reducen tenacidad y vida a fatiga
Mn	≤ 0.10	Normalmente bajo en la serie 7xxx; impacto limitado en resistencia
Mg	2.0–3.0	Combinado con Zn para formar precipitados que endurecen
Cu	1.2–2.0	Aumenta la resistencia y afecta susceptibilidad a la corrosión
Zn	6.0–8.0	Principal elemento de endurecimiento en la familia 7xxx
Cr	0.04–0.35	Controla la estructura de grano y ayuda a resistir la recristalización
Ti	≤ 0.15	Refinador de grano para fundiciones y ciertos productos forjados
Otros (cada uno)	≤ 0.05	Impurezas traza; resto hasta Al

El zinc y magnesio son el par dominante de endurecimiento, formando fases metastables eta (MgZn2) durante el envejecimiento que anclan dislocaciones y aumentan el límite elástico y la resistencia a la tracción. El cobre eleva todavía más la resistencia pero tiende a reducir la resistencia a la corrosión y aumenta la susceptibilidad a ataque localizado y corrosión por esfuerzo; bajos niveles de cromo y titanio ayudan a controlar la microestructura y mejorar la tenacidad durante procesamiento termomecánico.

Propiedades Mecánicas

El 7051 muestra una fuerte dependencia del comportamiento a tracción según el temple. En estados tratados en solución y envejecidos artificialmente (T6/T651), la aleación alcanza resistencias muy altas a tracción y límite elástico con reducción consecuente en el alargamiento; los templados sobremadurados intercambian parte de la resistencia máxima por mayor tenacidad y resistencia a la corrosión por esfuerzo. En condición recocida la aleación es dúctil y fácilmente conformable, pero no puede alcanzar los niveles altos de resistencia requeridos para muchas piezas aeroespaciales estructurales hasta ser procesada térmicamente.

El límite elástico, la resistencia última a la tracción y el alargamiento dependen del espesor y temple; las formas de producto más delgadas generalmente alcanzan mayores resistencias tras el envejecimiento debido a mayores velocidades de enfriamiento y distribuciones más finas de precipitados. La dureza se correlaciona con la respuesta al envejecimiento: los templados pico presentan valores elevados que disminuyen con el sobremadurado o en la zona afectada térmicamente tras soldadura. El desempeño a fatiga es generalmente excelente para microestructuras controladas, pero es sensible al acabado superficial, tensiones residuales y corrosión local; un tratamiento adecuado y control detallado en el diseño son esenciales para maximizar la vida a fatiga.

Propiedad	O/Recocido	Temple Clave (T6 / T651)	Notas
Resistencia a la Tracción	200–300 MPa (típico)	480–600 MPa (rango típico)	La resistencia varía con espesor, velocidad de enfriamiento y temple exacto
Límite Elástico	60–140 MPa (típico)	430–540 MPa (rango típico)	El límite elástico aumenta bruscamente con el endurecimiento por precipitación
Alargamiento	15–30%	6–12%	La ductilidad se reduce significativamente en templados pico
Dureza	30–55 HRB	85–120 HRB (aprox.)	La dureza sigue el envejecimiento; el sobremadurado reduce dureza pero mejora resistencia a SCC

Propiedades Físicas

Propiedad	Valor	Notas
Densidad	~2.80–2.82 g/cm³	Típico para aleaciones Al-Zn-Mg-Cu de alta resistencia
Rango de Fusión	Solidus ~480–500 °C, Liquido ~635–650 °C	La aleación tiene un intervalo de fusión amplio por los elementos de aleación
Conductividad Térmica	~120–150 W/m·K (a 20 °C, típico)	Menor que el Al puro, influenciado por aleación y temple
Conductividad Eléctrica	~30–40 % IACS (típico)	Reducida respecto al aluminio de pureza comercial por átomos en solución sólida
Calor Específico	~0.88–0.92 J/g·K	Similar a otras aleaciones de aluminio forjado
Coeficiente de Expansión Térmica	~23–25 ×10^-6 /°C	Coeficiente similar a otras aleaciones de aluminio, importante para diseño térmico

Las propiedades físicas del 7051 significan que conserva muchas ventajas del aluminio—baja densidad y buena conductividad térmica—mientras sacrifica algo de conductividad eléctrica y transporte térmico para aumentar el rendimiento mecánico. El comportamiento en fusión y solidificación requiere cuidado en procesos con temperaturas elevadas, incluyendo brasado y soldadura, para evitar cambios microestructurales no deseados.

Formas de Producto

Forma	Espesor/Tamaño Típico	Comportamiento de Resistencia	Templados Comunes	Notas
Chapa	0.5–6 mm	Alta cuando está pico envejecida; comportamiento depende del enfriamiento	O, T6, T651, T73	Común para pieles estructurales y paneles de alta resistencia
Placa	6–150+ mm	La resistencia puede reducirse en secciones gruesas debido a sensibilidad al enfriamiento	T651, T73, T76	Placas gruesas requieren control estricto del enfriamiento y a menudo templados sobremadurados
Extrusión	Perfiles variables	La resistencia está influenciada por espesor de sección y velocidad de enfriamiento	T6, T651	Posibles secciones complejas pero el control del enfriamiento es crítico
Tubo	Tamaños de tuberías y tubos aeronáuticos	Tendencias similares con espesor de pared; sensible a fatiga	T6/T651	Utilizado donde se requiere alta resistencia axial o circunferencial
Barra / Varilla	Diámetros hasta grandes forjados	La resistencia escala con tamaño de sección y temple	O, T6	Barras usadas para accesorios, pernos y forjados tras solución/envejecimiento

Los productos de calibre fino alcanzan mayores resistencias máximas debido a más rápidas velocidades de enfriamiento efectivas, mientras que las secciones gruesas son más sujetas a reblandecimiento por enfriamiento lento y distribuciones de precipitados más gruesas. Las rutas de procesamiento varían: chapa y placa se laminan y tratan térmicamente en hornos controlados, mientras que las extrusiones requieren diseño de matriz atento a los caminos de enfriamiento. La selección del componente debe considerar el estado de temple alcanzable según el espesor de sección previsto.

Grados Equivalentes

Norma	Grado	Región	Notas
AA	7051	EE.UU.	Designación en Aluminum Association; aleación forjada
EN AW	No hay equivalencia directa	Europa	No existe un equivalente exacto en EN; los miembros de la familia 7075/7050 son los más cercanos
JIS	No hay equivalente directo	Japón	La práctica común es referenciar el grado más cercano de la familia 7xxx
GB/T	No hay equivalente directo	China	Las normas chinas incluyen aleaciones Zn-Mg-Cu de alta resistencia, pero con nombres diferentes

7051 no siempre tiene una designación estricta uno a uno en cada norma nacional y puede ser representado por aleaciones propietarias o estrechamente relacionadas en distintas regiones. Los ingenieros deben confirmar la química, definición del temple y requerimientos de propiedades mecánicas al sustituir por 7075, 7050 u otros grados de la familia 7xxx, ya que diferencias menores en composición y tolerancias de especificación generan cambios significativos en la resistencia a la corrosión bajo tensión (SCC) y la respuesta al envejecimiento.

Resistencia a la Corrosión

En ambientes atmosféricos, el 7051 muestra resistencia moderada que depende fuertemente del temple y tratamiento posterior. Los temple de máxima resistencia con mayor contenido de cobre son más susceptibles a corrosión localizada y picaduras que los temple sobreenvejecidos, mientras que la aplicación adecuada de selladores y tratamientos de anodizado puede mejorar significativamente la durabilidad superficial.

En ambientes marinos y con presencia de cloruros, el 7051 requiere medidas de protección porque las aleaciones 7xxx de alta resistencia son propensas a ataques intergranulares y agrietamiento por corrosión bajo tensión. El sobreenvejecimiento a temple T7x y el uso de sellados post-anodizado o recubrimientos reducen la susceptibilidad y son estrategias comunes de mitigación en aplicaciones marinas.

El agrietamiento por corrosión bajo tensión es una consideración de diseño principal: la susceptibilidad se correlaciona con el esfuerzo residual en tensión, la condición metalúrgica local y la exposición a ambientes agresivos. Las interacciones galvánicas son significativas: 7051 es anódico respecto al acero inoxidable, pero catódico frente a aceros comunes y aleaciones de cobre; el diseño debe evitar la conexión directa o utilizar barreras aislantes y recubrimientos. En comparación con las familias 5xxx y 6xxx, el 7051 ofrece una resistencia mucho mayor a costa de menor resistencia nativa a la corrosión y mayor susceptibilidad a SCC, salvo que se diseñe específicamente para contrarrestar esas debilidades.

Propiedades de Fabricación

Soldabilidad

La soldadura de 7051 es desafiante en temple de máxima resistencia porque el calor disuelve los precipitados endurecedores y crea una zona afectada por calor (HAZ) suavizada, reduciendo significativamente la resistencia local. La soldadura por fusión (TIG/MIG) típicamente produce suavizado en la HAZ y altos esfuerzos residuales; existen aleaciones de aporte diseñadas para la serie 7xxx, pero las soldaduras suelen requerir tratamiento térmico post-soldadura o compensación por diseño mecánico. Los métodos de unión en estado sólido, como la soldadura por fricción-agitación, son frecuentemente preferidos porque limitan las temperaturas máximas, controlan la microestructura y proporcionan propiedades de unión superiores respecto a la soldadura por fusión para esta familia de aleaciones.

Mecanizado

7051 es generalmente mecanizable con precaución; se comporta de forma similar a otras aleaciones 7xxx de alta resistencia, con desgaste moderado de herramienta y tendencia a formación de rebaba si las velocidades o avances son incorrectos. Se recomienda utilizar herramientas de carburo con filo positivo y alta rigidez, y velocidades de corte conservadoras respecto a aleaciones de aluminio más blandas para reducir el endurecimiento térmico por trabajo y promover virutas continuas. El acabado superficial y el control de esfuerzos residuales son críticos cuando las piezas son críticas para fatiga o SCC, por lo que son comunes pasadas finales y operaciones de alivio de tensiones.

Formabilidad

En condición recocida (O), 7051 es formable y puede conformarse por embutición profunda o doblado a radios moderados, pero una vez tratado térmicamente a temple de alta resistencia la formabilidad se degrada y el rebote elástico aumenta. Los radios de doblado deben mantenerse conservadores en temple T6/T651 y las operaciones de conformado generalmente se realizan en estado O o parcialmente recocido antes del tratamiento térmico de solución y envejecido final. Para formas complejas, pueden utilizarse conformado en caliente o procesos superplásticos combinados con tratamientos térmicos adecuados pre y post conformado, aunque esto añade complejidad y costo de proceso.

Comportamiento en Tratamiento Térmico

7051 es una aleación tratable térmicamente que sigue el camino clásico de solución, temple y envejecido para alcanzar propiedades máximas. Las temperaturas de solución típicas están alrededor de 470–480 °C con temple rápido para retener una solución sólida sobresaturada; la sensibilidad al enfriamiento aumenta con el espesor de la sección, por lo que se pueden requerir medios de temple especiales o estrategias de temple interrumpido para secciones pesadas.

El envejecido artificial para temple de máxima resistencia tipo T6 generalmente utiliza temperaturas en el rango de 120–180 °C durante varias horas para precipitar fases finas de Mg-Zn. El sobreenvejecido (series T7x/T73/T76) utiliza temperaturas más altas o tiempos más largos para aumentar el tamaño de los precipitados y mejorar la resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión y estabilidad térmica, a costa de cierta reducción de la resistencia a la tracción. La designación T651 indica alivio de tensiones por estirado posterior al temple; se especifica comúnmente en aplicaciones aeroespaciales donde la estabilidad dimensional y la reducción de esfuerzos residuales son importantes.

Performance a Alta Temperatura

7051 presenta pérdida significativa de resistencia con la temperatura elevada; por encima de aproximadamente 120–150 °C la microestructura endurecida por precipitación comienza a sobreenvejecer y las propiedades mecánicas disminuyen. La exposición continua a temperaturas elevadas acelera el crecimiento de los precipitados endurecedores y reduce la resistencia al límite elástico y a la fatiga, por lo que las temperaturas máximas de servicio típicas se mantienen por debajo de ~120 °C para cargas prolongadas.

La oxidación es mínima comparada con aleaciones de alta temperatura como aceros o titanio, pero la degradación superficial y el cambio de color ocurren a temperaturas más altas. La zona afectada por calor durante la soldadura o la exposición a altas temperaturas mostrará propiedades debilitadas salvo que se apliquen tratamientos térmicos posteriores o etapas de sobreenvejecido, por lo que la exposición térmica durante la fabricación debe controlarse para preservar el rendimiento de diseño.

Aplicaciones

Industria	Componente de Ejemplo	Por qué se usa 7051
Aeroespacial	Accesorios de fuselaje, soportes de alta resistencia	Alta relación resistencia-peso, buen comportamiento a fatiga
Defensa	Estructuras para misiles y balísticas	Reducción de masa manteniendo capacidad estructural
Motorsport / Automoción de alto rendimiento	Miembros de chasis, componentes estructurales	Alta resistencia específica para reducción de peso en piezas críticas
Marino	Elementos estructurales de alto rendimiento	Cuando se combina con temple T7x y recubrimientos para resistencia a SCC
Electrónica / Gestión térmica	Marcos estructurales donde la rigidez es crítica	Buena conductividad térmica respecto a aceros con menor densidad

7051 se emplea principalmente cuando la masa del componente debe minimizarse mientras se cumplen cargas estáticas y de fatiga exigentes, y donde el entorno de producción puede controlar el tratamiento térmico y la protección contra la corrosión. El uso de esta aleación está concentrado en sectores que aceptan mayores costos de material y proceso a cambio de mejoras en el rendimiento.

Consejos para la Selección

Para ingenieros que evalúan 7051, priorícelo cuando la alta resistencia al límite elástico y a la tracción junto con buena resistencia a la fatiga sean decisivos, y cuando las rutas de procesamiento (tratamiento térmico, temple, recubrimientos) estén bien controladas. Use temple sobreenvejecido T7x cuando la corrosión por tensión o la exposición marina sean un riesgo y se pueda sacrificar algo de resistencia en favor de durabilidad.

En comparación con aluminio comercialmente puro (1100), 7051 sacrifica conductividad eléctrica y térmica y formabilidad por un gran aumento de resistencia y rigidez. Frente a aleaciones endurecidas por trabajo como 3003 o 5052, 7051 ofrece mucha mayor resistencia pero típicamente menor resistencia a la corrosión y peor capacidad de conformado en frío en temple máximo. Comparado con aleaciones estructurales tratables térmicamente comunes como 6061, 7051 suele proporcionar mayor resistencia última y al límite proporcional para aplicaciones estructurales, pero a costa de mayor susceptibilidad a SCC y requisitos más estrictos de tratamiento térmico y unión; elija 7051 cuando la máxima resistencia y rendimiento en fatiga sean prioritarios.

Resumen Final

7051 sigue siendo relevante en ingeniería moderna donde se requieren excepcionales relaciones resistencia-peso, capacidad a fatiga y estabilidad de temple adaptada, y donde los procesos de fabricación pueden manejar cronogramas térmicos precisos y mitigación de corrosión. Su papel en aplicaciones aeroespaciales y estructurales de alto rendimiento subraya el valor continuo de las químicas cuidadosamente diseñadas de la serie 7xxx para diseños estructurales exigentes.