Алюминий 2007: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

2007 — это сплав серии 2xxx алюминиевых сплавов, в которой основным легирующим элементом является медь. Сплавы этой серии относятся к термически упрочняемым алюминиево-медным (-магниево/марганцевым) сплавам и разработаны для достижения высокой прочности за счёт старения с выделением фаз, а не только за счёт пластической деформации.

Основными легирующими элементами в 2007 являются медь (главный элемент упрочнения) с контролируемыми добавками магния и марганца для управления кинетикой выделения фаз и структуры зерна; железо, кремний, хром и титан обычно присутствуют в виде контролируемых примесей или микро-легирующих добавок. Механизм упрочнения — классическое старение с выделением фаз: термообработка раствором, закалка и искусственное старение приводят к образованию тонких частиц теты (Al2Cu) и сопутствующих выделений, которые значительно повышают предел текучести и временное сопротивление разрыву.

Ключевые характеристики 2007 включают повышенное отношение прочности к массе, умеренную обрабатываемость резанием и удовлетворительную теплопроводность по сравнению с другими сплавами серии 2xxx. Коррозионная стойкость уступает сплавам серий 5xxx и 6xxx, а свариваемость ограничена и требует специального подбора присадочных материалов и последующей обработки после сварки; пластичность хорошая в отожженном и естественно старенном состояниях, но ухудшается при повышении прочности за счёт искусственного старения.

Отрасли, использующие 2007, обычно включают аэрокосмическое производство подструктур и крепёжных элементов, где необходимы высокая прочность и усталостная стойкость, оборонную и оружейную промышленность для конструкционных компонентов, а также специализированные автомобильные применения, требующие локального повышения прочности. Инженеры выбирают 2007, когда требуется сочетание относительно высокой статической и усталостной прочности без дополнительных затрат и сложности обработки, характерных для более экзотических алюминиево-литиевых или высокопрочных сплавов серии 7xxx.

Варианты термообработки

Термообработка	Уровень прочности	Относительное удлинение	Пластичность	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое состояние, максимальная пластичность для формования
H14	Средняя	Низкая–Средняя	Плохая–Удовлетворительная	Средняя	Упрочнённое деформацией до умеренной прочности; ограниченная гибкость
T4	Средняя	Средняя	Хорошая	Средняя	Обработано раствором и естественно старено; баланс прочности и пластичности
T5	Средне–Высокая	Низкая–Средняя	Удовлетворительная	Средняя	Охлаждено после обработки при повышенной температуре и искусственно старено
T6	Высокая	Низкая	Плохая–Удовлетворительная	Сложная	Обработано раствором и искусственно старено до пиковых значений прочности
T651	Высокая	Низкая	Плохая–Удовлетворительная	Сложная	T6 с дополнительной растяжкой для снятия остаточных напряжений

Выбор термообработки для 2007 существенно определяет компромисс между прочностью и пластичностью. Отожжённое (O) и естественно старенное (T4) состояния позволяют выполнять глубокую вытяжку и сложное формование, тогда как искусственно старенные состояния (T5/T6/T651) обеспечивают максимальную статическую и усталостную прочность за счёт ухудшения способности к гибке и контролю отдачи.

Тепловая и механическая обработка также влияют на свариваемость и остаточные напряжения. Высокопрочные состояния склонны к размягчению в зоне термического влияния (ЗТИ) при сварке и могут требовать последующего старения или локального усиления для восстановления несущей способности.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.5	Контролируемый кремний для ограничения фаз литья и усадки; высокое содержание снижает пластичность
Fe	≤ 0.5	Железо — примесь; избыток образует хрупкие интерметаллические соединения
Mn	0.3–1.0	Управление размером зерна, формирование дисперсных выделений; улучшает вязкость и процессы рекристаллизации
Mg	0.2–1.0	Способствует упрочнению выделениями и общей прочности в сочетании с медью
Cu	3.5–5.0	Основной элемент упрочнения через выделение фазы Al2Cu
Zn	≤ 0.25	Незначительная добавка; более высокое содержание нехарактерно для серии 2xxx
Cr	≤ 0.25	Микролегирующая добавка для контроля роста зерна и снижения чувствительности к закалке
Ti	≤ 0.15	Мелкозернистая добавка при целенаправленном введении
Прочие (каждый)	≤ 0.05–0.15	Следовые элементы и остаток — алюминий до 100%

Остаток — алюминий, сбалансированный с указанными элементами для достижения требуемых механических свойств и технологичности. Содержание меди напрямую определяет максимальный эффект упрочнения старением и высшую достижимую прочность, тогда как магний и марганец регулируют кинетику выделения фаз и устойчивость сплава к рекристаллизации при термомеханической обработке.

Механические свойства

При обработке до пиковых упрочнённых состояний (T6/T651) 2007 демонстрирует высокие значения временного сопротивления разрыву и предела текучести, сопоставимые с другими высокопрочными сплавами серии 2xxx. Кривые растяжения обычно показывают выраженную площадку текучести или постепенное упрочнение в зависимости от термообработки и формы продукции. Относительное удлинение обратно пропорционально прочности; пиково упрочнённые листы или плиты имеют обычно меньшее удлинение по сравнению с отожжённым состоянием.

Твёрдость коррелирует с упрочнением при старении и является удобным параметром контроля в производстве; твёрдость по Роквеллу или Бринеллю заметно растёт от отожжённого до состояния T6. Усталостное поведение, как правило, благоприятно по сравнению с менее прочными сплавами той же формы продукции, но срок службы усталостных циклов чувствителен к состоянию поверхности, локальным концентраторам напряжений и коррозионной среде. Толщина и форма продукции также влияют на механические свойства из-за чувствительности к скорости охлаждения после закалки; более толстые сечения могут иметь более низкие пиковые свойства и подвергаться большим остаточным напряжениям, вызванным быстрым охлаждением.

Свойство	O/Отожжённое	Основное состояние (T6 / T651)	Примечания
Временное сопротивление, МПа	180–260	400–480	Максимальные значения зависят от толщины и цикла старения
Предел текучести, МПа	70–140	300–370	Определяется при 0.2% смещении; зависит от истории обработки и термообработки
Относительное удлинение, %	20–35	8–15	Выше в состояниях O/T4; в T6 жертвуют удлинением ради прочности
Твёрдость (HB)	35–80	110–160	Показания по Бринеллю; твёрдость коррелирует с распределением выделений

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.78 г/см³	Характерно для алюминиево-медных сплавов; немного выше, чем у чистого алюминия из-за легирования
Температура плавления	~500–650 °C	Температуры солидуса и ликвидуса зависят от локального состава и примесей
Теплопроводность	120–160 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, из-за меди и других растворённых элементов
Электропроводность	25–40 %IACS	Снижена по сравнению с 100% алюминием; варьируется в зависимости от термообработки и холодной деформации
Удельная теплоёмкость	~880–900 Дж/кг·К	Приблизительное значение при комнатной температуре
Коэффициент термического расширения	22–24 µm/м·К	В пределах, типичных для алюминиевых сплавов

Физические свойства отражают компромисс между высоким содержанием меди для прочности и сохранением пригодных тепловых и электрических характеристик. Теплопроводность остаётся существенно выше, чем у сталей, что поддерживает применение в системах терморегулирования, однако при проектировании изделий с максимальным тепловым обменом следует учитывать снижение теплопроводности по сравнению с сплавами серий 6xxx и 1xxx.

Коэффициент теплового расширения близок к другим алюминиевым сплавам, что позволяет 2007 использовать в алюминиевых конструкциях, но требует учёта при соединении с разнородными материалами. Диапазоны плавления и солидуса требуют контролируемой технологии сварки и пайки для избежания локального расплавления и ликвации по границам зерен.

Виды продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические свойства	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3–6.0 мм	Хорошие свойства в тонком сечении; чувствительность к закалке менее критична	O, T4, T6	Широко используется для штампованных деталей и панелей
Пластина	6–100+ мм	Прочность может снижаться в толстых сечениях из-за медленной закалки	T4, T6	Толстые пластины требуют контролируемой закалки и возможного последующего естественного старения
Экструзия	Переменное сечение	Механические свойства зависят от толщины сечения и растворяющей термообработки	T4, T5, T6	Экструзия позволяет получать сложные профили; важен контроль распределения фазообразующих выделений
Труба	Диаметр и толщина стенки варьируются	Свойства похожи на экструзионные; требуется контроль зоны термического влияния и деформаций	O, T4, T6	Бесшовные или сварные трубы применяются в несущих конструкциях
Пруток/штанга	Диаметр ≤ 200 мм	Хорошие продольные механические свойства; важна равномерность старения	O, T4, T6	Используются для кованых и механически обработанных деталей

Различные формы продукции накладывают ограничения на режимы термообработки и скорости закалки. Тонкие листы и малые экструзионные сечения можно быстро закаливать, обеспечивая надёжное достижение максимальной прочности при старении, тогда как толстые пластины или крупносечные экструзии требуют прерывистой закалки, снижения целей по максимальной прочности или удлинённого искусственного старения для достижения сбалансированных свойств по сечению.

Также технологические процессы влияют на конечное применение: листы и пластины часто используют при необходимости штамповки и формовки до окончательного старения, тогда как экструзии и прутки обычно подвергаются растворяющей термообработке и старению для реализации направленных механических свойств. Сварка разных форм продукции требует подбора соответствующего присадочного материала и контроля локального нагрева во избежание размягчения зоны термического влияния.

Аналоги по маркам

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	2007	США	Признана в классификации алюминиевых сплавов; состав может варьироваться в зависимости от подвариантов
EN AW	2007 (или серия 2xxx)	Европа	Часто обозначается как EN AW-2007 или EN AW-2xxx; проверяйте национальные технические паспорта
JIS	A2007 (или подобные)	Япония	Японские стандарты могут содержать близкие аналоги с небольшой разницей в пределах содержания примесей
GB/T	2007	Китай	Китайские промышленные обозначения включают варианты 2007 и 2007A; допускаемые химические нормы могут отличаться

Точные аналоги зависят от конкретного подварианта и контролирующего стандарта; в некоторых регионах существуют варианты 2007A или 2007S с незначительными отличиями по содержанию меди, магния и марганца. При замене марок между стандартами обязательно проверяйте механические свойства, режимы термообработки и допустимые уровни примесей, а не полагайтесь только на обозначение марки.

Коррозионная стойкость

Атмосферная коррозионная стойкость 2007 умеренная или низкая по сравнению с нелегированными термообрабатываемыми сериями; содержание меди увеличивает восприимчивость к общей и локальной коррозии по сравнению с алюминиевыми сплавами серий 5xxx и 6xxx. Для защиты от воздействия окружающей среды в наружных конструкциях обычно применяют защитные покрытия, оболочки (например, Alclad) или конверсионные обработки.

Морские условия представляют особую проблему: среды с высокой солёностью ускоряют возникновение питтинговой и щелевой коррозии в сплавах с медью, поэтому 2007 без дополнительной защиты обычно не рекомендуется для несущих элементов корпуса в морской атмосфере. Катодная защита и применение изолирующих материалов во избежание гальванических пар — распространённые меры при использовании 2007 рядом с другими металлами.

Трескающая коррозия под напряжением (SCC) может возникать у высокопрочных сплавов серии 2xxx при растяжении в агрессивных хлоридсодержащих средах. Совокупность остаточных растягивающих напряжений, чувствительной микроструктуры и агрессивной среды способствует межкристаллитной коррозии и SCC; в конструкции избегают длительных высоких растягивающих напряжений или предусматривают защитные меры.

При гальваническом взаимодействии с разнородными металлами требуется контроль: сочетание 2007 с нержавеющими сталями приемлемо при электрической изоляции, но контакт с более благородными металлами без изоляции приведёт к растворению алюминия. По сравнению с другими семействами сплавов 2007 обладает повышенной прочностью, но требует более жестких мер коррозионной защиты, чем сплавы серий 5xxx и 6xxx.

Технологические свойства

Свариваемость

Сварка 2007 требует осторожности из-за высокого содержания меди, увеличивающего восприимчивость к горячим трещинам и снижающего прочность сварного шва и зоны термического влияния. Обычно стараются избегать сплошных несущих сварных соединений; если сварка необходима, применяют присадочные сплавы для систем Al-Cu (например, Al-Cu-Mn-сплавы типа 2319), контролируют тепловложение и режимы термообработки до и после сварки. В состояниях T6 и подобных ожидается размягчение ЗТИ; для восстановления свойств может потребоваться растворяющая термообработка и повторное старение либо локальное усиление.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 2007 обычно хорошая по сравнению со многими аэрокосмическими алюминиевыми сплавами благодаря относительно высокой прочности и контролируемому образованию стружки; он обрабатывается чище, чем некоторые кремнистые сплавы, но уступает по этой характеристике свободнообрабатываемым вариантам серии 2xxx. Рекомендуется использовать карбидный инструмент с положительным углом резания и достаточным охлаждением; типичные отделки достигаются на средних и высоких скоростях резания с подачами, обеспечивающими короткую, управляемую стружку и предотвращающими возникающее строение режущей кромки.

Формуемость

Формовочные свойства сильно зависят от состояния: состояния O и T4 обеспечивают наилучшую гнущуюся и вытяжную деформируемость, в то время как T6 и упрочнённые состояния имеют ограниченную пластичность при комнатной температуре. Минимальные радиусы гиба зависят от состояния и толщины; в качестве общего ориентира отожженный лист допускает радиусы сгиба от 1 до 2×толщина при многих операциях, тогда как для T6 требуется больший радиус или тёплая формовка во избежание трещин. Пошаговое гнутие и применение правильных радиусов инструментов помогают снизить локальные повреждения в высокопрочных состояниях.

Поведение при термообработке

Как термообрабатываемый сплав, 2007 реагирует на классические циклы растворяющей термообработки и старения. Растворяющая термообработка обычно проводится в диапазоне 495–520 °C (зависит от размера сечения и конкретного подварианта) для растворения фаз, содержащих медь, в твёрдой растворе, с последующей быстрой закалкой для сохранения пересыщенного твёрдого раствора. Скорость закалки критична: недостаточная закалка приводит к формированию грубых выделений, что снижает достижимую максимальную прочность и увеличивает чувствительность к закалке в толстых сечениях.

Искусственное старение для состояния T6 обычно проводится при температурах 150–190 °C с выдержкой, зависящей от толщины сечения и требуемого баланса свойств; более низкая температура и более длительное время снижают чувствительность к закалке и улучшают ударную вязкость, жертвуя при этом небольшой потерей максимальной прочности. Состояние T4 (естественное старение) обеспечивает умеренную прочность и лучшую пластичность за счёт контролируемого выделения фаз при комнатной температуре; состояние T5 применяется, когда детали охлаждаются после горячей обработки и затем старятся до заданной твёрдости.

Для нелегируемых режимов (упрочнение деформированием) управление уровнем холодного деформирования и температурой отжига используется для задания промежуточных свойств. Отжиг полностью размягчает материал до состояния O, позволяя производить формовочные операции перед окончательным закалочным упрочнением для достижения максимальных характеристик.

Работа при высоких температурах

2007 теряет прочность с увеличением температуры из-за коарсения выделений и размягчения матрицы; рабочие температуры выше примерно 120–150 °C значительно снижают предел текучести и временное сопротивление разрыву по сравнению с комнатными условиями. При кратковременных воздействиях или прерывистом режиме эксплуатации до ~200 °C часть свойств может сохраняться, однако длительное пребывание при повышенной температуре ускоряет избыточное старение и коарсение микроструктуры.

Стойкость к окислению типична для алюминиевых сплавов — на поверхности быстро образуется защитная плёнка Al2O3 при высоких температурах — но ограничивающим фактором механических свойств является микроструктурная нестабильность внутри материала, а не поверхностное окисление. Особое внимание требуется к поведению зоны термического влияния при высокотемпературной обработке или сварке, так как локальное размягчение может вызвать концентрации напряжений и снизить усталостную выносливость.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Причина использования 2007
Авиакосмическая	Фитинги, кронштейны, подрамники	Высокое соотношение прочности к массе и усталостная стойкость для критичных фитингов
Автомобильная	Конструкционные усилители, компоненты шасси	Локально высокая прочность при необходимости снижения веса
Судостроение	Специализированные конструкционные фитинги (с покрытием)	Хорошая прочность при защите; используется в некритичных морских элементах
Оборонная	Корпуса оружия, конструкционные детали	Высокая статическая прочность и обрабатываемость для прецизионных деталей
Электроника	Радиаторы, механические опоры	Теплопроводность и жёсткость в сочетании с обрабатываемостью

Сплав 2007 обычно выбирают для деталей, требующих более высокого уровня прочности по сравнению с распространёнными сплавами серии 6xxx, при сохранении низкой плотности алюминия и хорошей обрабатываемости. При ожидаемом воздействии коррозии обычно применяют защитные покрытия и предусматривают конструкционные допуски.

Рекомендации по выбору

Используйте 2007, когда в конструкции необходимы высокая прочность и усталостная стойкость алюминия с приемлемыми характеристиками обработки, и есть возможность контролировать воздействие коррозии с помощью покрытий или облицовки. Этот сплав наиболее подходит там, где требуется упрочнение при старении для достижения конкретного уровня прочности после формовки или механической обработки.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), 2007 уступает по электрической и теплопроводности, а также прокаливаемости, но значительно превосходит по прочности и усталостным характеристикам. По сравнению с упрочнёнными холодной работой сплавами, такими как 3003 или 5052, 2007 обеспечивает значительно более высокую максимальную прочность, но требует более строгой защиты от коррозии и менее пригоден для глубокой вытяжки в условии Т6. По сравнению с распространёнными сплавами, упрочняемыми термической обработкой (6061 или 6063), 2007 предлагает более высокую прочность во многих состояниях, но уступает по коррозионной стойкости и предъявляет более высокие требования к сварке; выбирайте 2007, когда приоритетом являются прочность и усталостная выносливость, а снижение сварочных и антикоррозионных параметров допустимо.

Итоговое резюме

Сплав 2007 остаётся актуальным там, где необходимо сочетание низкой плотности алюминия с повышенной прочностью и усталостной стойкостью, особенно в авиакосмической, оборонной и отдельных автомобильных сферах. Эффективное использование 2007 зависит от тщательного выбора термического состояния, контролируемой термообработки и стратегии защиты от коррозии для оптимального баланса преимуществ высокой прочности с ограничениями по сварке и устойчивости к окружающей среде.