Alumínio 7150: Composição, Propriedades, Guia de Têmpera e Aplicações

Visão Geral Abrangente

7150 é uma liga de alumínio da série 7xxx que pertence à família de alta resistência Al‑Zn‑Mg‑Cu, amplamente utilizada em aplicações estruturais de grau aeroespacial. Sua composição química tem o zinco como principal elemento de liga, com contribuições significativas de magnésio e cobre, além de pequenas adições de zircônio para controle da estrutura do grão e resistência à recristalização.

A liga é tratável termicamente e é principalmente fortalecida por tratamento térmico por solução seguido de têmpera e envelhecimento artificial, produzindo uma dispersão densa de precipitados metastáveis eta (η′) e relacionados. Esse mecanismo de endurecimento por precipitação gera resistência ao escoamento e resistência à tração muito elevadas em comparação com ligas das séries 1xxx–6xxx, mantendo tenacidade razoável quando processada para resistência à fratura.

As principais características do 7150 incluem uma relação resistência/peso muito alta, boa resistência à propagação de trincas por fadiga quando apropriadamente sobre-envelhecida ou tratada termomecanicamente, e resistência à corrosão moderada que pode ser melhorada por sobre-envelhecimento e revestimento. A soldabilidade e conformabilidade são limitadas nos tratamentos envelhecidos na condição de pico, portanto, escolhas de projeto e processo muitas vezes trocam conformabilidade por resistência e desempenho à fratura.

Os setores típicos incluem estruturas primárias e secundárias aeroespaciais, componentes de alta performance para defesa e aplicações industriais selecionadas de alta resistência, onde a economia de peso e a tolerância a danos são críticas. Engenheiros escolhem o 7150 onde a combinação de alta resistência estática, desempenho à fadiga e tenacidade aceitável supera a soldabilidade reduzida e o custo mais elevado do material em comparação com ligas mais comuns.

Variantes de Tratamento

Tratamento	Nível de Resistência	Alongamento	Conformabilidade	Soldabilidade	Observações
O	Baixo	Alto (20–30%)	Excelente	Regular	Totalmente recozido para máxima ductilidade e conformabilidade; raramente usado em forjados estruturais
T6	Muito Alto	Baixo–Moderado (8–12%)	Limitado	Ruim	Envelhecido na condição de pico para máxima resistência; comum em peças estruturais onde a conformação é realizada antes do envelhecimento
T651	Muito Alto	Baixo–Moderado (8–12%)	Limitado	Ruim	T6 mais alívio de tensões por estiramento; utilizado para componentes de precisão para reduzir tensões residuais
T73	Alto	Moderado (10–14%)	Limitado	Ruim–Regular	Condição sobre-envelhecida para melhorar resistência ao trincamento por corrosão sob tensão (SCC) à custa da resistência máxima
T76 / T7451 / T7751	Moderado–Alto	Moderado (10–15%)	Limitado	Ruim–Regular	Projetado para equilibrar resistência a SCC, tenacidade à fratura e controle de tensões residuais para usos críticos em fuselagens

O tratamento altera drasticamente o equilíbrio entre resistência, tenacidade e resistência à corrosão do 7150. O envelhecimento na condição de pico T6/T651 oferece as resistências estáticas máximas, porém aumenta a sensibilidade ao trincamento por corrosão sob tensão e reduz a ductilidade, enquanto tratamentos sobre-envelhecidos como T73 sacrificam alguma resistência para melhorar notavelmente a resistência a SCC e geralmente aumentam um pouco a ductilidade.

A sequência de fabricação e o serviço pretendido ditam a escolha do tratamento: formar as principais formas em condições O ou conformadas a frio e, se possível, tratar por solução e envelhecer posteriormente, ou selecionar tratamentos sobre-envelhecidos para componentes expostos a ambientes corrosivos ou que requerem maior tenacidade à fratura.

Composição Química

Elemento	Faixa %	Observações
Si	≤ 0,12	Silício baixo e controlado para reduzir intermetálicos e manter tenacidade à fratura
Fe	≤ 0,12	Limite de impureza; Fe elevado pode formar intermetálicos frágeis e reduzir a tenacidade
Mn	≤ 0,05	Mínimo; não é um agente principal de endurecimento nesta liga
Mg	2,3–2,9	Formador principal de precipitados com Zn para criar precipitados η′ responsáveis pela alta resistência
Cu	2,3–3,1	Aumenta resistência e dureza; melhora resistência à fadiga, mas pode aumentar suscetibilidade a SCC
Zn	6,3–7,5	Principal elemento de liga que direciona resistência máxima por meio de precipitados η/η′
Cr	≤ 0,04	Traço controlado; às vezes presente para modificar comportamento na fronteira de grão
Ti	≤ 0,08	Desoxidante e refinador de grão no processamento de lingotes/fundidos
Outros (Zr, V, etc.)	Zr 0,08–0,20; demais traços	Adições de Zr são deliberadas para formar dispersoides que controlam recristalização e melhoram a estrutura do grão e tenacidade

Cada elemento exerce um papel preciso: Zn e Mg combinam-se para formar os precipitados η′ responsáveis pela alta resistência da liga; Cu modifica a composição e cinética dos precipitados elevando resistência e resistência à fadiga, porém pode aumentar o risco de SCC; Zr e elementos traço controlam o tamanho do grão e a recristalização durante o processamento termomecânico e etapas de solução/têmpera, melhorando a tolerância a danos e permitindo que se mantenham propriedades desejáveis em seções mais espessas.

Propriedades Mecânicas

O 7150 apresenta resistências à tração e ao escoamento muito altas nas condições envelhecidas adequadas, combinadas com boa tenacidade à fratura e resistência à propagação de trincas por fadiga quando processado para minimizar precipitados grosseiros nas fronteiras dos grãos. O comportamento ao escoamento é tipicamente linear-elástico até o limite de escoamento, com platô de escoamento limitado; a liga demonstra encruamento razoável até a fratura, porém menor alongamento uniforme nos tratamentos de pico.

O alongamento à ruptura é fortemente dependente do tratamento e da forma do produto; tratamentos recozidos ou sobre-envelhecidos oferecem maior ductilidade, enquanto chapas e forjados envelhecidos no pico apresentam menor alongamento e podem ser suscetíveis à fratura frágil sob alta restrição. A dureza acompanha as tendências de resistência e é comumente usada como controle em oficina para verificação do tratamento; a distribuição de dureza em seções espessas pode indicar a eficácia da têmpera.

Espessura e sensibilidade à têmpera influenciam fortemente os gradientes mecânicos: chapas e extrudados espessos tendem a apresentar propriedades reduzidas no meio da seção devido à têmpera mais lenta, a menos que o refino de grão e os dispersoides de Zr sejam otimizados. O desempenho à fadiga é beneficiado por precipitados finos, uniformes e controles das tensões residuais produzidos por tratamentos do tipo T651/T7451.

Propriedade	O/Recozido	Tratamento Chave (T6 / T651)	Observações
Resistência à Tração	170–260 MPa	540–590 MPa	Valores T6/T651 típicos para produtos forjados bem processados; decrescem com espessura de seção e sobre-envelhecimento
Limite de Escoamento	60–130 MPa	480–520 MPa	Limites altos tornam o 7150 adequado para componentes estruturais altamente solicitados
Alongamento	20–30%	8–12%	Alongamento reduz significativamente nos tratamentos de pico; sobre-envelhecimento aumenta ductilidade moderadamente
Dureza (HB)	40–80 HB	150–175 HB	Dureza correlaciona com resistência e é útil para inspeção de entrada e verificação do tratamento térmico

Propriedades Físicas

Propriedade	Valor	Observações
Densidade	2,81 g/cm³	Típica de ligas Al‑Zn‑Mg‑Cu de alta resistência; beneficia projetos sensíveis ao peso
Faixa de Fusão	Sólido ≈ 477 °C; Líquido ≈ 635 °C	A composição amplia o intervalo de fusão em relação ao alumínio puro
Condutividade Térmica	≈ 120–150 W/m·K	Reduzida em comparação ao Al puro devido à liga; adequada para muitas aplicações estruturais, porém não ideal para dissipação térmica de alta performance
Condutividade Elétrica	≈ 30–40 % IACS	A liga reduz significativamente a condutividade comparada ao alumínio puro
Calor Específico	≈ 0,88–0,92 J/g·K (880–920 J/kg·K)	Calor específico típico do alumínio, útil para cálculo de massa térmica
Coeficiente de Dilatação Térmica	≈ 23,0–24,0 ×10⁻⁶ /K	Semelhante a outras ligas de alumínio trabalhadas; importante para projeto de juntas com materiais diferentes

As propriedades físicas refletem a faixa de aplicação da liga: densidade relativamente baixa proporciona excelente resistência específica, porém a liga reduz condutividades térmica e elétrica em comparação ao alumínio puro e algumas ligas das séries 5xxx/6xxx. A dilatação térmica deve ser considerada em montagens heterogêneas, pois a expansão diferencial pode provocar fadiga e concentração de tensões.

As propriedades térmicas e a faixa de fusão controlam os ciclos de tratamento térmico e determinam os meios de têmpera e as temperaturas das ferramentas; a condutividade térmica também afeta o aquecimento localizado durante operações de usinagem e soldagem.

Formas do Produto

Forma	Espessura/Tamanho Típico	Comportamento de Resistência	Envelhecimentos Comuns	Observações
Chapa	0,5–6,0 mm	Suscetível a amolecimento localizado se não for devidamente envelhecida	T6, T651, T73	Comum para revestimentos aeroespaciais e painéis reforçados; conformação geralmente feita antes do envelhecimento final
Placa	>6 mm até 150 mm	Sensibilidade à têmpera aumenta com a espessura; possível zona amolecida na espessura média	T6, T651, T73	Placas grossas requerem processamento controlado e ligas contendo Zr para manter propriedades
Extrusão	Seções transversais até perfis grandes	Propriedades podem variar com a espessura da seção e o caminho da têmpera	T6, T651, T76	Extrusões beneficiam-se de resfriamento rápido e dispersóides de Zr para uniformidade das propriedades
Tubo	Ø alguns mm até grandes diâmetros	Espessura da parede controla os gradientes de têmpera e mecânicos	T6, T73	Utilizado em tubulações aeroespaciais e estruturas com controle rigoroso de qualidade
Barra/Haste	Diâmetro / seção transversal dependente	Histórico de forjamento e laminação influencia resistência/tenacidade	T6, T651	Barras para conexões altamente solicitadas e componentes usinados; práticas de pré-aquecimento e têmpera são críticas

A forma afeta não só as dimensões disponíveis, mas também as propriedades alcançáveis devido à cinética de têmpera e ao histórico termomecânico. Chapas e extrusões finas alcançam mais facilmente resistências T6 alvo, enquanto placas e forjados grossos exigem processamento termomecânico sob medida e controle de dispersóides (ex.: Zr) para evitar zonas amolecidas no meio da espessura e manter desempenho à fratura.

Projetistas devem coordenar sequências de conformação, alívio de tensões e envelhecimento final; a conformação deve geralmente ser realizada antes do tratamento térmico de solução final e envelhecimento, quando possível, e cotas de usinagem devem permitir controle local de aquecimento e condições de superfície.

Graus Equivalentes

Norma	Grau	Região	Observações
AA	7150	USA	Designação conforme Aluminum Association para liga trabalhada; amplamente usada em especificações aeroespaciais
EN AW	Série 7xxx (sem número único direto)	Europa	Não há equivalente EN exato; especificar composição química e envelhecimento conforme AMS/EN
JIS	A7xxx (aprox.)	Japão	Normas japonesas referenciam ligas da família 7000; equivalência requer correspondência química e envelhecimento
GB/T	7A50 (aprox.)	China	Família chinesa 7A5x é geneticamente similar; substituição direta requer verificação por especificação

Não existe referência cruzada perfeita porque normas regionais englobam química, limites residuais e envelhecimentos permitidos de forma diferente. Para componentes aeroespaciais críticos, engenheiros devem coincidir faixas químicas, práticas de tratamento térmico (incluindo velocidades de têmpera e estiramento) e critérios de inspeção, em vez de confiar somente em nomes de grau nominal.

Ao adquirir internacionalmente, exija certificados de material com composição exata, valores de resistência à tração/escoamento no envelhecimento fornecido e detalhes do tratamento térmico e qualquer alívio mecânico de tensões para garantir equivalência em desempenho e comportamento à fratura.

Resistência à Corrosão

7150 apresenta resistência moderada à corrosão atmosférica comparada a ligas Al‑Mg mais nobres; em envelhecimento típico, pode desempenhar-se adequadamente com pintura ou revestimentos conversivos. Em ambientes marinhos ou com presença elevada de cloretos, é mais suscetível a corrosão por pite e ataque intergranular que ligas 5xxx ou algumas 6xxx, a menos que sobremaduras ou seja revestida.

Trincas por corrosão sob tensão (SCC) são preocupação principal para ligas 7xxx de alta resistência. Envelhecimentos em pico (T6/T651) oferecem resistência máxima, mas também sensibilidade máxima a SCC; sobremaduras para T73 ou escolha de envelhecimentos projetados para resistência à SCC (ex.: família T76) são estratégias comuns para estruturas críticas.

Interações galvânicas devem ser consideradas onde 7150 esteja em contato com materiais catódicos mais nobres (aços inoxidáveis, titânio): o alumínio corroerá preferencialmente a menos que eletricamente isolado ou adequadamente revestido. Comparado com ligas série 6xxx (ex.: 6061), 7150 troca resistência e desempenho em fadiga melhorados por menor resistência inerente à corrosão e maior sensibilidade a trincas ambientais sem medidas protetivas.

Propriedades de Fabricação

Soldabilidade

Soldar 7150 é desafiador: soldagem por fusão (TIG/MIG) pode causar perda severa de resistência na zona termicamente afetada (ZTA) e é geralmente desencorajada para elementos estruturais primários. Quando soldagem é necessária, ligas de adição e tratamentos de solução/envelhecimento pós-soldagem devem ser cuidadosamente selecionados; entretanto, restauração completa das propriedades originais pela soldagem localizada geralmente não é viável.

Soldagem por fricção e agitação (FSW) e métodos de união no estado sólido são preferidos porque limitam o derretimento e podem preservar mais das propriedades do envelhecimento da liga, embora amolecimento na ZTA ainda ocorra. Materiais de aporte comumente usados em junção de alumínio (ex.: 4043, 5356) não restabelecem propriedades originais da base e podem introduzir considerações galvânicas e diferentes comportamentos eletroquímicos.

Usinabilidade

Como liga Al‑Zn‑Mg‑Cu de alta resistência, 7150 possui boa usinabilidade comparada a aços, mas é mais exigente que ligas comuns 6xxx ou 5xxx devido à maior resistência e tenacidade. Ferramentas devem usar pastilhas de carbono com ângulo de corte positivo e alta alimentação para evitar atrito; velocidades de corte típicas são 200–600 m/min dependendo da operação e uso de fluido refrigerante.

Controle de cavacos pode ser bom se geometria da ferramenta e refrigerante forem adequados; entretanto, encruamento não é fator como em alguns aços inoxidáveis. Integridade superficial e desgaste de ferramenta devem ser monitorados porque alta dureza em estados envelhecidos pode acelerar desgaste abrasivo.

Conformabilidade

Conformação é melhor realizada em envelhecimentos mais macios ou antes do envelhecimento final porque condições T6/T651 têm ductilidade limitada e alto retorno elástico. Raios mínimos de curvatura são maiores em condições envelhecidas; raios típicos para elementos estruturais usinados/conformados devem ser conservadores (ex.: >2–3× espessura para dobras apertadas em envelhecimentos mais resistentes).

Conformação a frio seguida de tratamento térmico de solução e envelhecimento é rota comum para atingir geometria final e propriedades mecânicas; processos de conformação a quente e superplásticos são raramente usados com 7150 devido à sensibilidade à têmpera e comportamento dos precipitados que controlam propriedades finais.

Comportamento ao Tratamento Térmico

Tratamento térmico de solução para 7150 é tipicamente realizado na faixa de 470–500 °C para dissolver elementos de liga em solução sólida supersaturada, evitando fusão incipiente de constituintes com baixo ponto de fusão. Resfriamento rápido até temperatura ambiente (ou mais frio) é necessário para manter estado supersaturado; controle da velocidade de têmpera é crítico em seções grossas para evitar amolecimento no meio da espessura.

Envelhecimento artificial segue a têmpera. Ciclos típicos de envelhecimento T6 usam temperaturas intermediárias de envelhecimento (ex.: 120