Alumínio 7051: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Geral Abrangente

7051 é um membro da série 7xxx de ligas de alumínio laminadas, situando-se na família de alta resistência portadora de zinco do sistema Al-Zn-Mg-Cu. A liga é projetada para alta resistência específica e desempenho em aplicações onde a relação resistência/peso e a resistência à fadiga são os principais fatores, em vez da imunidade máxima à corrosão ou facilidade de união.

Os principais elementos de liga no 7051 são zinco e magnésio, com adições controladas de cobre e níveis traço de cromo e titânio para controle de grão e recristalização. A liga é tratável termicamente: suas propriedades máximas são alcançadas por tratamento de solução, têmpera rápida e envelhecimento artificial controlado para precipitar fases finas e metastáveis de Mg-Zn que proporcionam fortalecimento por precipitação.

Características-chave incluem resistências à tração e ao escoamento muito altas em relação aos graus comuns de alumínio estrutural, resistência à corrosão geral moderada a baixa comparada às famílias 5xxx/6xxx, salvo em estados sobreaquecidos, e soldabilidade e conformabilidade limitadas nos tratamentos de têmpera máxima. Indústrias típicas que utilizam 7051 são aeroespacial e estruturas de alto desempenho em defesa, automobilismo e setores seletos de transporte de alta qualidade que exigem força, rigidez e desempenho à fadiga otimizados.

Engenheiros escolhem o 7051 em vez de outras ligas quando é necessária redução de massa em nível de componente e capacidade sustentada para altas tensões, e quando os processos de fabricação podem acomodar tratamento térmico e mitigação especializada da corrosão. A liga é preferida onde variantes de alta resistência da série 7xxx (ex.: 7075) não atendem à estabilidade de têmpera específica ou onde a combinação particular de Zn/Mg/Cu e controle microestrutural do 7051 proporciona melhor comportamento à fadiga com contenção de trincas.

Variantes de Têmpera

Têmpera	Nível de Resistência	Alongamento	Formabilidade	Soldabilidade	Observações
O	Baixo	Alto	Excelente	Excelente	Recozido completo, ductilidade máxima
T6	Alto	Baixo–Moderado	Regular–Ruim	Ruim	Tratado em solução e envelhecido artificialmente para resistência máxima
T651	Alto	Baixo–Moderado	Regular–Ruim	Ruim	T6 + alívio de tensões por estiramento para reduzir tensões residuais
T73 / T76 / T7x	Moderado	Moderado	Regular	Ruim–Moderado	Temperas sobreaquecidas para maior resistência a SCC e corrosão
Hxx (ex.: H111, H116)	Variável	Variável	Variável	Moderada	Encruado ou encruado + recozimento parcial para propriedades intermediárias

O tratamento térmico e a têmpera determinam se o 7051 é ajustado para resistência máxima (T6/T651) ou para maior resistência a trincas por corrosão sob tensão (SCC) e melhor tenacidade (T7x/T73/T76). A têmpera O é usada para operações de conformação e processos secundários antes do tratamento térmico final, enquanto as temperas sobreaquecidas sacrificam parte da resistência máxima para obter resistência significativamente melhorada à SCC e estabilidade durante excursões térmicas.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Observações
Si	≤ 0,40	Impureza do processo de fundição/processamento; mantida baixa para evitar fases frágeis
Fe	≤ 0,50	Impureza; níveis altos reduzem tenacidade e vida à fadiga
Mn	≤ 0,10	Tipicamente baixo na série 7xxx; impacto limitado na resistência
Mg	2,0–3,0	Combinado com Zn para formar precipitados fortalecedores
Cu	1,2–2,0	Aumenta a resistência e afeta a suscetibilidade à corrosão
Zn	6,0–8,0	Principal elemento de fortalecimento na família 7xxx
Cr	0,04–0,35	Controla a estrutura do grão e ajuda a resistir à recristalização
Ti	≤ 0,15	Refinador de grão para fundidos e certos produtos laminados
Outros (cada um)	≤ 0,05	Impurezas traço; balanceado para Al

O zinco e o magnésio são o par dominante de fortalecimento, formando fases eta metastáveis (MgZn2) durante o envelhecimento que prendem discordâncias e aumentam as resistências ao escoamento e à tração. O cobre eleva ainda mais a resistência, mas tende a reduzir a resistência à corrosão e aumentar a suscetibilidade a ataques localizados e trincas por corrosão sob tensão; baixos níveis de cromo e titânio ajudam a controlar a estrutura do grão e melhoram a tenacidade durante o processamento termomecânico.

Propriedades Mecânicas

O 7051 apresenta forte dependência do comportamento de tração em função da têmpera. Nas temperas tratadas em solução e envelhecidas artificialmente (T6/T651), a liga alcança resistências à tração e escoamento muito altas com consequentes reduções no alongamento; temperas sobreaquecidas trocam a resistência máxima por melhor tenacidade e resistência a SCC. Em condição recozida, a liga é dúctil e facilmente conformável, mas não alcança os altos níveis de resistência exigidos para muitas peças estruturais aeroespaciais até ser processada termicamente.

A resistência ao escoamento, resistência máxima à tração e alongamento dependem da espessura e têmpera; formas de produto mais finas geralmente atingem maiores resistências após envelhecimento devido às taxas de têmpera mais rápidas e distribuições mais finas de precipitados. A dureza correlaciona com a resposta ao envelhecimento: as temperas em pico envelhecimento apresentam valores elevados de dureza, que caem sob sobre-envelhecimento ou na zona afetada pelo calor após soldagem. O desempenho à fadiga é geralmente excelente para microestruturas controladas, mas é sensível ao acabamento de superfície, tensões residuais e corrosão local; tratamento adequado e controle de detalhes de projeto são essenciais para maximizar a vida à fadiga.

Propriedade	O/Recozido	Têmpera Principal (T6 / T651)	Observações
Resistência à Tração	200–300 MPa (típico)	480–600 MPa (faixa típica)	Resistência varia com espessura, taxa de têmpera e têmpera exata
Limite de Escoamento	60–140 MPa (típico)	430–540 MPa (faixa típica)	O limite de escoamento aumenta fortemente com o endurecimento por precipitação
Alongamento	15–30%	6–12%	Ductilidade reduzida significativamente nas temperas de pico envelhecimento
Dureza	30–55 HRB	85–120 HRB (aproximado)	A dureza acompanha o envelhecimento; sobre-envelhecimento reduz dureza, mas melhora resistência a SCC

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Observações
Densidade	~2,80–2,82 g/cm³	Típico para ligas Al-Zn-Mg-Cu de alta resistência
Intervalo de Fusão	Solidus ~480–500 °C, Liquidus ~635–650 °C	A liga apresenta intervalo amplo de fusão devido aos elementos de liga
Condutividade Térmica	~120–150 W/m·K (a 20 °C, típico)	Inferior ao alumínio puro, influenciada por liga e têmpera
Condutividade Elétrica	~30–40 % IACS (típico)	Reduzida em relação ao alumínio de pureza comercial devido aos átomos solutos
Calor Específico	~0,88–0,92 J/g·K	Similar a outras ligas de alumínio laminadas
Coeficiente de Expansão Térmica	~23–25 ×10^-6 /°C	Coeficiente similar a outras ligas de alumínio, importante para projeto térmico

As propriedades físicas do 7051 significam que ele mantém muitas das vantagens do alumínio — baixa densidade e boa condutividade térmica — enquanto troca parte da condutividade elétrica e transporte térmico por melhor desempenho mecânico. O comportamento de fusão e solidificação da liga requer cuidado em processos que envolvem temperaturas elevadas, incluindo brasagem e soldagem, para evitar alterações microestruturais indesejadas.

Formas de Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Temperas Comuns	Observações
Chapa	0,5–6 mm	Alta quando em pico envelhecimento; comportamento depende da têmpera	O, T6, T651, T73	Comum para revestimento estrutural e painéis de alta resistência
Placa	6–150+ mm	Resistência pode ser reduzida em seções mais espessas devido à sensibilidade à têmpera	T651, T73, T76	Placas espessas requerem controle rigoroso de têmpera e geralmente temperas sobreaquecidas
Extrusão	Perfis variados	Resistência influenciada pela espessura da seção e taxa de resfriamento	T6, T651	Seções complexas possíveis, mas controle de têmpera é crítico
Tubo	Tamanhos para tubos e tubos aeronáuticos	Tendências similares com espessura da parede; sensível à fadiga	T6/T651	Usado onde se necessita alta resistência axial ou circunferencial
Barra/Haste	Diâmetros até grandes forjados	Resistência escalável com tamanho da seção e têmpera	O, T6	Barras usadas para conexões, parafusos e forjados após solução/envelhecimento

Produtos de chapa fina atingem maiores resistências máximas devido às taxas efetivas de têmpera mais rápidas, enquanto seções pesadas são mais sujeitas a amolecimento por resfriamento mais lento e distribuições mais grosseiras de precipitados. As rotas de processamento diferem: chapa e placa são comumente laminadas e tratadas em solução em fornos controlados, enquanto extrusões requerem projeto de matriz atento aos caminhos de resfriamento. A seleção do componente deve considerar o estado de têmpera alcançável na espessura pretendida da seção.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	7051	EUA	Designação na Aluminum Association; liga forjada
EN AW	Sem equivalente direto um a um	Europa	Sem equivalente exato na EN; membros da família 7075/7050 são os mais próximos
JIS	Sem equivalente direto	Japão	Prática comum é referenciar o grau mais próximo da família 7xxx
GB/T	Sem equivalente direto	China	Normas chinesas possuem ligas Zn-Mg-Cu de alta resistência, mas com nomes diferentes

O 7051 nem sempre possui uma designação estrita um a um em todas as normas nacionais e pode ser representado por ligas proprietárias ou ligas próximas em diferentes regiões. Engenheiros devem confirmar a química, definição do tratamento térmico (temper) e requisitos de propriedades mecânicas ao substituir por 7075, 7050 ou outros graus da família 7xxx, pois pequenas diferenças na composição e tolerâncias especifícicas produzem alterações significativas na resistência à SCC e na resposta ao envelhecimento.

Resistência à Corrosão

Em ambientes atmosféricos, o 7051 apresenta resistência moderada, fortemente dependente do temper e do tratamento pós-aplicado. Tempers de máxima resistência com maior teor de cobre são mais suscetíveis à corrosão localizada e pitting do que tempers sobrematurados (overaged), enquanto selantes aplicados corretamente e tratamentos de anodização podem melhorar significativamente a durabilidade da superfície.

Em ambientes marinhos e com cloretos, o 7051 requer medidas protetivas porque ligas 7xxx de alta resistência são propensas a ataque intergranular e fratura por corrosão sob tensão sob esforços de tração. O sobrematuramento para tempers T7x e o uso de selantes pós-anodização ou revestimentos reduzem a susceptibilidade e são estratégias comuns de mitigação em aplicações marítimas.

A fratura por corrosão sob tensão é uma consideração principal de projeto: a suscetibilidade está correlacionada com tensão residual de tração, condição metalúrgica local e exposição a ambientes agressivos. Interações galvânicas são significativas—7051 é anódico em relação ao aço inoxidável, mas catódico em relação a aços comuns e ligas de cobre; o projeto deve evitar acoplamento direto ou utilizar barreiras isolantes e revestimentos. Comparado às famílias 5xxx e 6xxx, o 7051 oferece resistência muito maior em troca de menor resistência nativa à corrosão e maior suscetibilidade à SCC, salvo se especificamente projetado para neutralizar essas fraquezas.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

Soldar 7051 é desafiador em tempers de máxima resistência porque a energia térmica dissolvem os precipitados de endurecimento e cria uma zona afetada pelo calor (HAZ) amolecida, reduzindo significativamente a resistência local. A soldagem por fusão (TIG/MIG) tipicamente produz amolecimento da ZAC e altos níveis de tensões residuais; ligas de adição específicas para séries 7xxx estão disponíveis, mas as soldas geralmente requerem tratamento térmico pós-soldagem ou compensação no projeto mecânico. Métodos de união em estado sólido, como soldagem por fricção-agitação, são frequentemente preferidos pois limitam as temperaturas máximas, controlam a microestrutura e proporcionam propriedades superiores no junta em relação à soldagem por fusão para essa família de ligas.

Usinabilidade

7051 é usinável com certos cuidados; possui comportamento semelhante às outras ligas 7xxx de alta resistência, apresentando desgaste moderado das ferramentas e tendência a formação de rebarbas na aresta se as velocidades ou avanços forem inadequados. Recomendam-se ferramentas de carboneto com ângulo positivo e alta rigidez, além de velocidades de corte conservadoras em relação a ligas de alumínio mais macias para reduzir a têmpera térmica e promover cavacos contínuos. O acabamento superficial e o controle de tensões residuais são críticos quando as peças são sujeitas a fadiga ou SCC, por isso são comuns passadas de acabamento e operações de alívio de tensões.

Conformabilidade

Na condição recozida (O), o 7051 é conformável e pode ser estampado a fundos ou dobrado com raios moderados, mas após tratamento térmico para tempers de alta resistência a conformabilidade degrada e o retorno elástico aumenta. Raios de dobra devem ser conservadores em tempers T6/T651, e operações de conformação são normalmente realizadas em estados O ou parcialmente recozidos antes do tratamento por solubilização e envelhecimento final. Para formas complexas, conformação a quente ou processos superplásticos combinados com tratamentos térmicos pré e pós podem ser usados, mas aumentam a complexidade e o custo do processo.

Comportamento ao Tratamento Térmico

7051 é uma liga tratável termicamente que segue o ciclo clássico de solubilização, têmpera e envelhecimento para alcançar propriedades máximas. Temperaturas típicas de solubilização ficam em torno de 470–480 °C, com têmpera rápida para reter solução sólida supersaturada; a sensibilidade à têmpera aumenta com a espessura da seção, de modo que seções pesadas podem requerer meios de têmpera especiais ou estratégias de têmpera interrompida.

O envelhecimento artificial para condições de pico de resistência do tipo T6 geralmente usa temperaturas entre 120–180 °C por várias horas para precipitar fases finas Mg-Zn. O sobrematuramento (séries T7x/T73/T76) utiliza temperaturas mais altas ou tempos mais longos para coarsificar os precipitados e melhorar a resistência à corrosão sob tensão e estabilidade térmica, em detrimento de alguma resistência à tração. A designação T651 indica alívio de tensões por estiramento após a têmpera; é comumente especificada para aplicações aeroespaciais onde estabilidade dimensional e redução de tensões residuais são importantes.

Desempenho em Alta Temperatura

7051 apresenta perda significativa de resistência em temperaturas elevadas; acima de aproximadamente 120–150 °C, a microestrutura de endurecimento por precipitação começa a sobrematurar e as propriedades mecânicas diminuem. A exposição contínua a altas temperaturas acelera a coarsificação das fases de endurecimento e reduz os limites de escoamento e fadiga, sendo a temperatura máxima típica de serviço mantida abaixo de ~120 °C para carregamentos prolongados.

A oxidação é mínima em comparação com ligas para altas temperaturas, como aços ou titânio, mas degradação da superfície e alterações de cor ocorrem em temperaturas superiores. A zona afetada pelo calor de soldagem ou exposição a alta temperatura apresentará propriedades enfraquecidas a menos que sejam realizados processos térmicos pós-tratamento ou etapas de sobrematuração, portanto a exposição térmica durante a fabricação deve ser controlada para preservar o desempenho projetado.

Aplicações

Indústria	Exemplo de Componente	Razão do Uso do 7051
Aeroespacial	Ferragens de fuselagem, suportes de alta resistência	Alta relação resistência/peso, bom desempenho à fadiga
Defesa	Estruturas de mísseis e balísticas	Redução de massa com capacidade estrutural mantida
Motorsport / Desempenho Automotivo	Componentes de chassi, elementos estruturais	Alta resistência específica para redução de peso em partes críticas
Marinha	Elementos estruturais de alto desempenho	Quando combinado com tempers T7x e revestimentos para resistência à SCC
Eletrônica / Gestão Térmica	Estruturas com rigidez crítica	Boa condutividade térmica em relação a aços com densidade menor

O 7051 é mais comumente empregado onde a massa do componente deve ser minimizada ao atender a cargas estáticas e de fadiga rigorosas, e onde o ambiente de produção permite controle do tratamento térmico e proteção contra corrosão. O uso da liga está concentrado em setores que aceitam maiores custos com material e processamento em troca de ganhos de desempenho.

Aspectos para Seleção

Para engenheiros avaliando 7051, priorize-o quando alta resistência ao escoamento e tração aliadas a boa resistência à fadiga forem determinantes, e quando as rotas de processo (tratamento térmico, têmpera, revestimentos) forem bem controladas. Use tempers sobrematurados T7x quando a corrosão sob tensão ou exposição marinha for uma preocupação e quando parte da resistência puder ser sacrificada em prol da durabilidade.

Comparado ao alumínio comercialmente puro (1100), o 7051 sacrifica condutividade elétrica e térmica e conformabilidade para grande aumento de resistência e rigidez. Comparado a ligas endurecidas por trabalho, como 3003 ou 5052, o 7051 oferece resistência muito maior, mas tipicamente menor resistência à corrosão e capacidade muito inferior de conformação a frio em tempers de pico. Comparado a ligas estruturais tratáveis termicamente comuns como 6061, o 7051 geralmente entrega maior resistência última e ao escoamento para aplicações estruturais, mas com maior suscetibilidade à SCC e restrições mais severas de tratamento térmico e junção; escolha 7051 quando a máxima resistência e desempenho à fadiga superarem esses trade-offs.

Resumo Final

O 7051 permanece relevante para a engenharia moderna onde são requeridos relação excepcional resistência/peso, capacidade de fadiga e estabilidade de temper personalizado, e onde processos de fabricação podem acomodar cronogramas térmicos precisos e mitigação de corrosão. Seu papel em aplicações aeroespaciais e estruturais de alto desempenho destaca o valor contínuo das químicas cuidadosamente projetadas da série 7xxx para projetos estruturais exigentes.