Alumínio 7099: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Abrangente

7099 é uma liga de alumínio de alta resistência pertencente à série 7xxx de ligas Al-Zn-Mg(-Cu). Foi desenvolvida para aplicações estruturais exigentes onde se requer alta resistência específica, boa tenacidade à fratura e resistência aprimorada ao trincamento sob tensão por corrosão (SCC) em comparação com as ligas 7xxx convencionais.

Os principais elementos de liga no 7099 são zinco, magnésio e cobre, com adições microaleantes como zircônio e pequenas quantidades de cromo ou titânio para controle da estrutura de grão e da recristalização. O mecanismo de endurecimento é principalmente por envelhecimento por precipitação (tratável termicamente) através da formação de finos precipitados η' e η (MgZn2) após tratamento de solubilização e envelhecimento artificial; a microestrutura controlada também promove engenharia de contorno de grão para mitigar a suscetibilidade ao SCC.

As características principais do 7099 incluem resistência à tração e limite de escoamento muito elevados em estados envelhecidos no pico, resistência intrínseca à corrosão moderada a baixa típica de ligas ricas em Zn (mas frequentemente melhorada pelo sobretêmpera ou tratamentos pós-fabricação), soldabilidade limitada nos estados de maior resistência e conformabilidade reduzida em relação às ligas 3xxx/5xxx. Os setores típicos de aplicação são aeroespacial, automotivo de alto desempenho, defesa e alguns produtos esportivos de alta resistência onde componentes estruturais leves são essenciais. Engenheiros escolhem o 7099 em vez de outras ligas quando a combinação de alta resistência, tenacidade e resistência ao SCC personalizada compensam as limitações na conformabilidade, condutividade e integridade da solda.

Variantes de Têmpera

Têmpera	Nível de Resistência	Alongamento	Conformabilidade	Soldabilidade	Observações
O	Baixa	Alta	Excelente	Excelente	Recozido total, máxima ductilidade para conformação
T1	Média	Média	Boa	Ruim a razoável	Resfriado após trabalho a quente e envelhecido naturalmente
T4	Média-Alta	Média	Razoável	Ruim	Tratado em solução e envelhecido naturalmente
T6	Muito Alta	Baixa-Média	Limitada	Ruim	Tratado em solução e envelhecido artificialmente até resistência máxima
T651	Muito Alta	Baixa-Média	Limitada	Ruim	T6 com estiramento para alívio de tensões após têmpera
T73 / T76	Média-Alta	Média	Melhorada	Melhor que T6	Temperas sobretêmperas para melhorar resistência ao SCC e esfoliação
H14 / H24	Média	Reduzida	Limitada	Melhor que T6	Temperas encruadas para aplicações em chapas

A têmpera exerce influência principal no equilíbrio mecânico entre resistência, ductilidade e resistência à corrosão. As têmperas envelhecidas no pico (T6/T651) maximizam resistência estática e resistência à fadiga, mas reduzem conformabilidade e aumentam a suscetibilidade ao SCC; têmperas sobretêmperas (T73/T76) abrem mão de parte da resistência para melhorar tenacidade e desempenho ambiental.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Observações
Si	≤ 0,10	Controle de impurezas; mantido baixo para evitar intermetálicos que reduzem tenacidade
Fe	≤ 0,25–0,50	Impureza; promove intermetálicos que podem iniciar fadiga
Mn	≤ 0,10	Menor, usualmente controlado para limitar fases deletérias
Mg	~2,0–3,0	Elemento principal para endurecimento por precipitação (precipitados MgZn2)
Cu	~1,2–2,6	Aumenta resistência e contribui para envelhecimento; afeta corrosão/SCC
Zn	~6,5–8,5	Principal elemento de resistência produzindo alta resistência pico via precipitados Mg-Zn
Cr	~0,02–0,25	Adicionado em traços para controle da recristalização, refinamento de grão
Ti	≤ 0,10	Refinador de grão quando adicionado em quantidades controladas
Outros	Equilíbrio (Al) + traços de Zr, Ag, etc.	Zr ou outros microaleantes usados para controle de dispersoides e inibição de recristalização

As faixas de elementos acima são representativas da prática típica de ligas de alta resistência da série 7xxx e devem ser entendidas como janelas de composição típicas, não números específicos de especificação. Zinco, magnésio e cobre agem sinergicamente para produzir a fina população de precipitados responsável pela alta resistência; a microaleação com Zr/Cr/Ti promove uma estrutura subgranular estável, resistente à recristalização, que melhora a tenacidade e reduz a sensibilidade ao SCC.

Propriedades Mecânicas

O 7099 apresenta um amplo envelope de resistência à tração altamente dependente da têmpera; material recozido exibe comportamento dúctil e alongamento uniforme significativo, enquanto têmperas envelhecidas no pico atingem resistências à tração últimas comparáveis às ligas de alumínio mais resistentes utilizadas no setor aeroespacial. Limites de escoamento nos estados T6/T651 são suficientemente altos para substituir componentes de aço em base de peso por peso, mas alongamento e maleabilidade são restritos. A dureza acompanha de perto o estado de resistência à tração/escoamento e é útil como indicador para controle de qualidade e envelhecimento.

O desempenho à fadiga do 7099 em têmperas otimizadas é forte em relação a outras ligas de alumínio, beneficiando do rigoroso controle de inclusões e estrutura de grão; entretanto, a vida à fadiga é sensível a condição superficial, tensões residuais e exposição ambiental. Os efeitos da espessura são pronunciados: seções mais espessas podem ser mais difíceis de tratar em solução uniformemente, podem manter gradientes de propriedades na espessura e tendem a ser mais suscetíveis à corrosão por esfoliação ou intergranular se não forem devidamente envelhecidas ou sobretêmperas.

Amolecimento relacionado à corrosão e efeitos da zona termicamente afetada (ZTA) de soldagem ou aquecimento localizado podem reduzir dramaticamente a resistência local e diminuir a vida à fadiga; portanto, o desempenho mecânico deve sempre ser considerado no contexto do processo final de fabricação e da têmpera escolhida.

Propriedade	O/Recozido	Têmpera Principal (ex.: T6/T651)	Observações
Resistência à Tração	~220–300 MPa (típico)	~540–620 MPa (típico)	Valores pico dependem de liga e têmpera; faixas representam valores típicos de engenharia
Limite de Escoamento	~90–150 MPa	~470–560 MPa	Razão escoamento/tração varia com têmpera e histórico de processamento
Alongamento	~15–25%	~6–12%	Ductilidade diminui com aumento da resistência; projetar para conformação limitada em têmperas de alta resistência
Dureza	~40–80 HB	~150–185 HB	Dureza Brinell ou Vickers correlaciona bem com resistência para controle de processo

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Observações
Densidade	~2,78–2,81 g/cm³	Típico para ligas Al-Zn-Mg-Cu de alta resistência; possibilita alta resistência específica
Faixa de Fusão	Solidus ≈ 475–500 °C; Líquido ≈ 635–655 °C	A adição de elementos de liga reduz o solidus em relação ao Al puro; faixas dependem da química exata
Condutividade Térmica	~120–160 W/m·K (temperatura ambiente, aproximado)	Inferior ao alumínio puro; condutividade diminui com adição de liga pesada
Condutividade Elétrica	~30–50 %IACS (típico)	Significativamente reduzida em relação ao alumínio puro; estado de têmpera e precipitação influenciam valores
Calor Específico	~0,85–0,92 J/g·K	Próximo a outras ligas de alumínio; útil para projeto térmico
Coeficiente de Dilatação Térmica	~23–24 µm/m·K (20–100 °C)	Dilatação típica do alumínio; considerar em conjuntos com materiais de baixa dilatação

As propriedades físicas acima são valores aproximados de engenharia, indicados para cálculos preliminares térmicos e de massa. A condutividade térmica e elétrica são reduzidas em relação ao alumínio puro devido à liga e precipitação; essas mudanças impactam a dissipação de calor e o comportamento eletromagnético em componentes de alto desempenho.

Formas do Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Tratamentos Térmicos Comuns	Observações
Chapa	0,4–6,0 mm	Boa relação resistência/peso nos tratamentos T6/T651; T73 em espessura total para melhor resistência à corrosão sob tensão (SCC)	O, Hx, T6, T651, T73	Amplamente usada para painéis e revestimentos formados onde são necessárias resistência e rigidez
Placa	6–100+ mm	Gradientes de propriedades através da espessura possíveis; seções mais grossas frequentemente requerem tratamentos de solubilização especiais	T6, T651, T76	Processamento de placas requer fornos maiores e controle rigoroso da têmpera para evitar amolecimento no núcleo
Extrusão	Perfis de até várias centenas de mm	Alta resistência à tração nos tempers em pico após envelhecimento; a direção da extrusão influencia as propriedades	T6, T651, T73	Membros estruturais extrudados beneficiam-se de aditivos para controle da recristalização
Tubo	Diâmetro e espessura de parede variáveis	Comportamento semelhante às extrusões; propriedades circunferenciais e axiais diferem	T6, T651	Componentes tubulares requerem envelhecimento pós-extrusão para alcançar as propriedades desejadas
Barra / Vareta	Diâmetros desde pequenos até grandes	Propriedades dependem da matéria-prima e do resfriamento	O, T6, T651	Usada para peças usinadas de alta resistência e em bruto para fixadores

A rota de processamento influencia fortemente as propriedades finais: a laminação e extrusão envolvem deformação substancial e comportamento de recristalização que devem ser controlados por microalagem (Zr, Cr) para manter uma estrutura subgrão favorável. Peças em placa e seções grossas requerem tratamentos térmicos de solubilização mais agressivos e têmperas cuidadosas para evitar amolecimento na linha central, enquanto folhas finas são mais fáceis de envelhecer uniformemente e podem ser formadas em tratamentos mais moles antes de uma etapa final de envelhecimento.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	7099	EUA	Designação usada em alguns catálogos de fornecedores e especificações aeroespaciais
EN AW	Sem equivalente universal direto	Europa	Não há um número EN único que mapeie universalmente para 7099; ligas similares incluem variantes da família EN AW-7075 / EN AW-7050
JIS	—	Japão	Equivalente JIS direto não é comum; material pode ser obtido conforme especificações aeroespaciais proprietárias
GB/T	—	China	Normas chinesas podem listar ligas Zn-Mg-Cu de alta resistência, mas equivalentes diretos requerem correspondência de composição e tempera

Equivalentes diretos para 7099 são limitados porque a liga é frequentemente proprietária ou produzida segundo especificações de fornecedores aeroespaciais que controlam microalagem e processamento termomecânico. Ao substituir, engenheiros devem comparar tabelas completas de propriedades químicas e mecânicas, ao invés de confiar apenas na designação nominal.

Resistência à Corrosão

Em condições atmosféricas, 7099 tem desempenho superior a algumas ligas de alta resistência com zinco em pico envelhecido quando o sobreenvelhecimento ou revestimentos protetores apropriados são aplicados, mas geralmente é menos resistente à corrosão que as ligas das séries 5xxx e 3xxx. Tratamentos superficiais como conversão cromatada, anodização e pintura protetora são comumente usados para proporcionar vida útil em ambientes expostos e mitigar corrosão localizada (pitting).

O comportamento marinho é uma consideração crítica; a exposição à água do mar promove pitting e ataque intergranular em ligas com alto teor de Zn e Cu, salvo mitigado por tratamentos de sobreenvelhecimento (T73/T76), revestimentos ou proteção sacrificial. Uso em zonas de respingo ou imersão prolongada requer seleção cuidadosa da liga/tempera, preparação de superfície e proteção catódica quando necessário.

A fissuração por corrosão sob tensão (SCC) é um risco conhecido para ligas 7xxx de alta resistência em condições de pico envelhecimento, principalmente sob tensão sustentada em ambientes corrosivos. Variantes da liga como a 7099 são projetadas com microalagens e temperas recomendadas (sobreenvelhecimento) para reduzir a propensão a SCC, mas projetistas devem considerar interações galvânicas quando 7099 é combinada com materiais nobres como aço inoxidável ou titânio, além de minimizar reentrâncias e tensões residuais de tração.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

A soldagem do 7099 é desafiadora em tempers de alta resistência porque as zonas afetadas pelo calor (HAZ) e de fusão endurecidas por precipitação são suscetíveis a amolecimento significativo e perda de propriedades mecânicas. Soldagem TIG e MIG são possíveis para reparos localizados ou juntas, mas normalmente requerem tratamento térmico pós-soldagem (PWHT) ou projeto mecânico para evitar concentrações elevadas de tensão. As ligas de adição recomendadas geralmente são variantes 7xxx de menor resistência ou fillers formulados especialmente que equilibram resistência e resistência a trincas; entretanto, métodos como soldagem por sobreposição (lap) ou por fricção e fixação mecânica são preferidos para conjuntos estruturais para evitar degradação de HAZ.

Usinabilidade

O comportamento de usinagem do 7099 é geralmente bom para ligas de alumínio de alta resistência: é usinado mais facilmente que aços de alta resistência e pode alcançar altos índices de remoção de material, porém a geometria da ferramenta e seu material devem levar em conta a tendência da liga ao encruamento e precipitados abrasivos. Ferramentas de carboneto com geometria positiva, avanço elevado e velocidades moderadas oferecem o melhor equilíbrio; o uso de fluido de corte e evacuação adequada de cavacos são recomendados para evitar a formação de aresta acumulada. O índice de usinabilidade normalmente é inferior às ligas da série 6xxx, mas aceitável para componentes complexos e de precisão quando se utiliza ferramentaria moderna.

Conformabilidade

A conformabilidade a frio é limitada em tempers em pico envelhecimento; os raios mínimos de curvatura são maiores que para ligas 5xxx ou 3xxx e o retorno elástico (springback) é significativo devido ao alto limite de escoamento. A melhor prática é conformar em tempers mais moles (O ou T4/H) e realizar envelhecimento artificial final (T6) após a conformação, quando possível. Técnicas como conformação por estiramento, conformação incremental e superplasticidade podem ser usadas para formas complexas, e a seleção do tempera (ex. série H1x) pode melhorar a conformabilidade para deformações limitadas.

Comportamento ao Tratamento Térmico

Como liga tratável termicamente, o 7099 segue a sequência clássica de solubilização–têmpera–envelhecimento. O tratamento de solubilização é normalmente realizado próximo ao limite superior da faixa de solução sólida (aproximadamente 470–480 °C, variável conforme a liga) para dissolver fases solúveis, seguido por têmpera rápida para reter uma solução sólida supersaturada. O envelhecimento artificial é realizado a temperaturas intermediárias (tipicamente entre 120–180 °C) por tempos controlados para precipitar partículas finas η' e alcançar resistência máxima (T6).

O sobreenvelhecimento (variantes T7x) é usado para coarsificar precipitados e reduzir diferenças de potencial eletroquímico em limites de grão, melhorando resistência à SCC e esfoliação, à custa de alguma redução de resistência final. A designação T651 indica alívio de tensões por estiramento pós-têmpera para controlar tensões residuais e distorção; isso é comum em aplicações aeroespaciais. O controle adequado do tratamento térmico, taxa de têmpera e receitas de envelhecimento subsequentes são críticos para alcançar as propriedades mecânicas e ambientais desejadas.

Comportamentos não tratados termicamente não se aplicam ao 7099 no sentido clássico, pois o endurecimento por precipitação é o principal mecanismo de fortalecimento; entretanto, recozimento local (ex. para conformação) e seqüências de encruamento podem ser usados na produção para atingir conjuntos intermediários de propriedades antes do envelhecimento final.

Desempenho em Alta Temperatura

O 7099 perde resistência progressivamente conforme a temperatura se eleva acima da ambiente porque a estabilidade dos precipitados é sensível à temperatura; temperaturas de serviço sustentadas acima de aproximadamente 100–120 °C reduzem o limite de escoamento e resistência última, podendo acelerar o coarsening dos precipitados. Exposições de curto prazo a temperaturas mais elevadas podem recosar ou sobreenvelhecer a microestrutura, alterando características mecânicas e de corrosão.

A oxidação das ligas de alumínio nas temperaturas típicas de serviço é mínima em comparação com aços, mas as propriedades do óxido superficial e revestimentos protetores devem ser considerados em ambientes de ciclos térmicos. A HAZ em regiões soldadas pode apresentar amolecimento localizado e perda de tenacidade em temperaturas elevadas, portanto o projeto para excursões térmicas deve limitar a aquecimento localizado e levar em conta alterações em tensões residuais e microestrutura.

Aplicações

Indústria	Exemplo de Componente	Por que o 7099 é Usado
Aeroespacial	Reforços de fuselagem, encaixes de asas, forjados estruturais	Alta resistência específica e melhora na resistência à SCC em temperas selecionados
Automotiva	Componentes de chassis de alto desempenho, membros estruturais de impacto	Redução de peso com resistência comparável a aços de menor grau
Marinha	Membros estruturais, suportes externos (com tratamento protetor)	Alta relação resistência/peso onde existem medidas de controle da corrosão
Defesa	Componentes de armas pequenas, partes estruturais de veículos	Alta resistência e tenacidade para cargas de serviço exigentes
Esportes / Recreação	Quadros de bicicletas de alta performance, componentes de corrida	Excelente rigidez/ peso e desempenho à fadiga

O 7099 é selecionado para componentes onde alta resistência e resistência à fratura são prioritárias e onde controles de fabricação (tratamento térmico, acabamentos protetores) podem ser implementados de forma confiável. Seu papel é frequentemente como material habilitador para projetos de alta carga e criticidade ao peso.

Insights para Seleção

O 7099 deve ser selecionado quando a redução de peso estrutural e alta resistência estática e à fadiga são os principais fatores de projeto e quando a cadeia de suprimentos pode controlar o tratamento térmico e a proteção superficial. É mais apropriado quando o projeto permite formação limitada após o envelhecimento final ou incorpora envelhecimento pós-formação para alcançar a resistência requerida.

Em comparação com o alumínio comercialmente puro (por exemplo, 1100), o 7099 oferece resistência muito maior e menor ductilidade e condutividade em troca de uma melhoria de uma ordem de magnitude na capacidade de suportar cargas; use o 1100 apenas para excelente conformabilidade e condutividade quando a resistência não for crítica. Comparado com ligas encruadas (por exemplo, 3003 / 5052), o 7099 fornece resistência substancialmente maior à custa de conformabilidade e resistência à corrosão mais simples; escolha 5052/3003 quando a conformação e a resistência à corrosão marinha forem prioritárias. Comparado com ligas comuns endurecíveis por tratamento térmico (por exemplo, 6061 / 6063), o 7099 oferece resistência máxima substancialmente maior e melhor tenacidade à fratura nos tratamentos máximos, tornando-o preferível onde a relação resistência-peso é crítica, embora 6061/6063 permaneçam mais fáceis de soldar e conformar e geralmente tenham menor custo.

Resumo Final

O 7099 mantém-se relevante na engenharia moderna onde a combinação de resistência específica muito alta, tenacidade à fratura controlada e resistência projetada à corrosão sob tensão (SCC) permite projetos que não podem ser realizados com ligas de alumínio de resistência inferior, desde que a fabricação, acabamento e inspeção estejam alinhados com o comportamento sensível ao tratamento térmico da liga.