Алюминий 7068: состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Общий обзор

7068 — это алюминиевый сплав серии 7xxx, относящийся к семейству высокопрочных Al-Zn-Mg-Cu. Он разработан для обеспечения максимально возможной прочности среди деформируемых алюминиевых сплавов за счёт тщательно сбалансированного химического состава Zn–Mg–Cu и микроэлементов, контролирующих рекристаллизацию и распределение выделений.

Основными легирующими элементами являются цинк (главный упрочняющий элемент), магний (образует с цинком выделения MgZn2), медь (повышает прочность и обеспечивает способность к старению), а также микроэлементы, такие как цирконий и хром, которые способствуют измельчению зерна и ограничивают рекристаллизацию. Сплав поддаётся термообработке; максимальная прочность достигается способом растворно-отжигового упрочнения с последующим искусственным старением (отпуски типа T), при этом дополнительное усиление обеспечивается контролируемыми дисперсными выделениями, повышающими сопротивление ползучести и разрушению.

Ключевые характеристики включают чрезвычайно высокие пределы прочности при растяжении и текучести по сравнению с другими промышленными сплавами, конкурентоспособные показатели усталости для высокопрочного алюминия при правильном старении, а также приемлемую обрабатываемость. Коррозионная стойкость умеренная — лучше, чем у некоторых очень прочных сплавов с высоким содержанием цинка при перезакалке, но уступает сплавам серии 5xxx на основе магния и многим нержавеющим сталям; свариваемость ограничена из-за размягчения зоны термического влияния и склонности к горячим трещинам без специальных режимов сварки и наполнителей. Типичные области применения — аэрокосмическая, оборонная промышленность, спортивные товары высокого класса и специализированные автомобильные узлы, где критичен максимальный коэффициент прочность/масса.

Инженеры выбирают 7068, когда конструкция элемента требует максимального эксплуатационного предела текучести и прочности на растяжение алюминиевого сплава с сохранением преимуществ лёгкого и немагнитного материала. Этот сплав предпочитают 7075, когда небольшое абсолютное повышение прочности и более жёсткий контроль микроструктуры обеспечивают заметный выигрыш в характеристиках для крепёжных изделий, фитингов или ответственных конструктивных деталей, работающих при высоких статических или циклических нагрузках.

Варианты состояния (отпусков)

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое (≥15%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённое; наилучшее для формообработки и мехобработки
T6 / T651	Очень высокая	Средняя (6–10%)	Ограниченная	Плохая — умеренная	Растворно упрочнённое и искусственно старенное; T651 включает снятие внутренних напряжений растяжением
T6511 / T651A	Очень высокая	Средняя (6–10%)	Ограниченная	Плохая — умеренная	Вариант T651 с контролируемым снятием напряжений или дополнительным выпрямлением
T7 (перезакалённое)	Высокая	Средняя или выше (8–12%)	Лучше, чем T6	Умеренная	Перезакалка жертвует пиковой прочностью ради улучшения стойкости к напряжённо-коррозионному растрескиванию и коррозии
Hx (наклёпанное)	Средняя	Варьируется	Средняя	Средняя	Менее распространено; ниже пиковая прочность, чем у T-отпусков, но улучшенная пластичность

Состояние отпуска оказывает доминирующее влияние на свойства 7068 благодаря выраженной термообрабатываемости сплава. Растворение и искусственное старение образуют мелкие, согласованные выделения, обогащённые MgZn2, которые повышают предел текучести и временное сопротивление разрыву, в то время как перезакалка увеличивает размер выделений и улучшает сопротивление напряжённо-коррозионному растрескиванию за счёт снижения максимальных прочностных характеристик.

На практике варианты T6/T651 назначают, когда приоритетны максимальная прочность и жёсткость, тогда как T7 или промежуточные отпуски выбирают при повышенных требованиях к коррозионной стойкости, вязкости разрушения и долговечности в эксплуатации. Отожжённое (O) и наклёпанное (Hx) состояния применяют для обработки и мехобработки перед окончательной термообработкой.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤0.12	Примесь; контролируется для предотвращения хрупких интерметаллидов
Fe	≤0.30	Примесь; повышенное содержание Fe формирует грубые фазы, снижающие вязкость
Mn	≤0.10	Микроэлемент; может незначительно улучшать структуру зерна
Mg	2.0–3.0	Основное совместное упрочнение с цинком за счёт формирования выделений MgZn2
Cu	1.6–2.4	Повышает прочность и твёрдость, влияет на коррозионную стойкость и вязкость разрушения
Zn	7.0–8.5	Главный упрочняющий элемент; ключ к высокой пиковой прочности
Cr	≤0.20	Измельчение зерна и контроль рекристаллизации
Ti / Zr	0.05–0.25 (совместно)	Микролегирование для образования дисперсидных выделений, контроля роста зерна и повышения вязкости
Другие (каждый)	≤0.05	Контролируемые следовые примеси для чистоты сплава; остальное — Al

Баланс легирующих элементов оптимизирован для максимизации объёма и стабильности мелких выделений Mg–Zn, обеспечивающих основное упрочнение при старении, в то время как медь модифицирует структуру выделений и даёт вторичное упрочнение. Микроэлементы, такие как Zr и Cr, образуют мелкодисперсные твёрдые частицы, препятствующие росту зерна во время растворения и закалки, что улучшает вязкость и снижает чувствительность к отпуску, а также контролирует рекристаллизацию при термомеханической обработке.

Механические свойства

7068 демонстрирует заметные различия между отожжённым и пиково старенным состояниями. В отпусках T6/T651 сплав достигает одних из самых высоких значений предела прочности при растяжении и текучести среди промышленных деформируемых алюминиевых сплавов, что позволяет существенно снизить массу конструкций. Относительное удлинение в пиковых состояниях умеренное, вязкость разрушения, как правило, ниже, чем у сплавов с меньшей прочностью, но приемлемое при контролируемой геометрии и отсутствии стрессовых концентраторов.

Усталостная прочность 7068 может быть очень высокой для системы Al–Zn–Mg–Cu при оптимизированной микроструктуре и контроле чистоты поверхности; однако высокопрочные алюминиевые сплавы чувствительны к поверхностным дефектам и агрессивной среде, способствующим зарождению усталостных трещин. Толщина и габариты сечения влияют на достижимые свойства из-за чувствительности к закалке и кинетике выделений; тонкие сечения быстрее достигают максимальной прочности после закалки, в то время как толстые требуют замедленного охлаждения или модифицированных циклов термообработки.

Твёрдость следует тенденциям прочности: отожжённый материал имеет низкие значения по Бринеллю и Виккерсу, соответствующие мягкому алюминию, а отпуски типа T6 обеспечивают высокие твёрдостные показатели в соответствии с высоким пределом текучести. Локальное размягчение зоны термического влияния при сварке и потенциальные остаточные напряжения необходимо учитывать при проектировании.

Свойство	O / Отожжённое	Основное состояние (T6 / T651)	Примечания
Прочность при растяжении	200–300 MPa (типично)	700–780 MPa (типичный диапазон)	Пиковые значения одни из самых высоких для деформируемых алюминиевых сплавов; зависят от толщины сечения и режима старения
Предел текучести	100–250 MPa	640–700 MPa	Предел текучести близок к значениям некоторых сталей в определённых состояниях
Относительное удлинение	≥15%	6–10%	Пластичность снижена в пиково стареном состоянии; характер разрушения изменяется от транс- до интеркристаллитного в зависимости от старения
Твёрдость (HB)	~60–90 HB	~150–180 HB	Твёрдость связана с объёмом и распределением выделений

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.78–2.81 г/см³	Чуть выше, чем у некоторых алюминиевых сплавов с низким легированием, но всё ещё низкая для высокопрочных материалов
Температура плавления	~475–635 °C (типичный диапазон солидуса/ликвидуса для Al–Zn–Mg–Cu)	Точные значения зависят от состава и примесей
Теплопроводность	~120–150 Вт/(м·К) (при 20 °C, типичное значение для сплава)	Ниже, чем у чистого алюминия, из-за рассеяния на легирующих элементах; меняется в зависимости от отпуска и состава
Электропроводность	~30–45 %IACS	Легирование снижает электропроводность по сравнению с чистым алюминием
Удельная теплоёмкость	~0.88–0.90 Дж/г·К	Сопоставима с другими алюминиевыми сплавами
Коэффициент термического расширения	~23–25 ×10⁻⁶ /К	Соизмерим с другими деформируемыми алюминиевыми сплавами; необходим учёт термического расширения при сочетании с композитами и сталью

Физические свойства 7068 в целом аналогичны другим высокопрочным алюминиевым сплавам; сплав сохраняет низкую плотность и удельную теплоёмкость алюминия, но уступает по теплопроводности и электропроводности из-за высокого содержания легирующих элементов. При проектировании систем теплового контроля и соединений, особенно с разнородными материалами, необходимо учитывать тепловое расширение и теплопроводность.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Механические свойства	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.5–6 мм обычно; до ~12 мм	Тонкие листы достигают пиковых свойств более равномерно	T6, T651, O	Применяется для сильнонагруженных панелей и обработанных деталей после старения
Плита	6–100+ мм	Толстые плиты чувствительны к отпуску; возможно снижение пиковых свойств без контроля процесса	Варианты T6/T7; T651 для снятия внутренних напряжений	Часто необходима специализированная термообработка и оснастка для охлаждения
Экструзия	Переменное сечение	Экструзионные профили могут достигать высоких свойств при старении после растворения	T6/T651	Сложные профили применяются для несущих элементов и фитингов
Труба	Внешний/внутренний диаметр варьируется	Толщина стенки влияет на процесс охлаждения и старения	T6/T651	Используется в конструкциях с требованиями к весу; требует аккуратности при сварке и соединениях
Пруток/Штанга	Диаметры до нескольких дюймов	Пруток можно производить с последующим упрочнением методом старения до высокой прочности	T6, T651	Распространён в крепёжных элементах, штифтах и высокопрочных механически обработанных деталях

Обработанные формы отличаются по сжимаемости и поведению остаточных напряжений. Легкообрабатываемые тонкие изделия проще термически обрабатывать до пиковых свойств; для толстых плит и крупных сечений необходим контролируемый отпуск или модифицированные состояния сплава (T7 или многоступенчатое старение), чтобы избежать сильного недоотверждения в центре и уменьшить деформацию. Экструзии и поковки часто подвергаются растворяющей термообработке после формовки для получения однородной структуры осадочного упрочнения.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	7068	США	Основное обозначение этого высокопрочного сплава в алюминиевых ассоциациях
EN AW	7068	Европа	Часто указывается как EN AW-7068 с близким составом; возможны различия по допустимым примесям
JIS	A7068 (приблизительно)	Япония	Местные стандарты могут иметь похожие химические составы с разными обозначениями и требованиями к термообработке
GB/T	7068	Китай	Существуют стандартизованные китайские варианты; точный химический состав и гарантии механических свойств могут отличаться

Стандарты и обозначения в целом схожи, но практика производства и испытаний различается по регионам. Незначительные отличия в максимальных уровнях примесей, микроалюминиевых добавках и методах сертификационных испытаний могут приводить к вариациям свойств и характеру разрушения — инженерам рекомендуется проверять технические характеристики и сертификаты соответствия для критичных компонентов с целью обеспечения взаимозаменяемости.

Коррозионная стойкость

7068 — это сплав Al–Zn–Mg–Cu, наследующий чувствительность к локальной коррозии в средах с хлоридными ионами. В атмосферных условиях с низким содержанием хлоридов правильно переотверждённый или поверхностно обработанный 7068 показывает приемлемую коррозионную стойкость; однако незащищенный материал в состоянии T6 подвержен растрескиванию и межкристаллитной коррозии, особенно в зонах напряжений.

В морской или высокохлоридной среде 7068 требует защитных покрытий, анодирования или выбора переотверждённого состояния (тип T7) для повышения коррозионной стойкости. Даже при этом он обычно уступает по защите морским сплавам серии 5xxx с содержанием магния и нержавеющей стали в условиях длительного погружения или работы в зоне брызг без надёжной защиты.

Напряжённая коррозионная трещиностойкость вызывает опасения для высокопрочных алюминиевых сплавов серии Al–Zn–Mg. Состояния с пиковым упрочнением T6 имеют повышенную чувствительность к SCC; переотверждение и микроалюминиевые дисперсные включения снижают восприимчивость, но за счёт снижения предела прочности. Гальваническая пара с катодными металлами (медь, нержавеющая сталь) ускоряет локальную коррозию; контакт со сталью должен быть изолирован, а конструкция исключать щелевые зазоры и задержку солей.

По сравнению с другими семействаами сплавов, 7068 пожертвовал коррозионной стойкостью ради прочности: он обычно превосходит по прочности сплавы серии 6xxx, но почти всегда уступает коррозионной стойкости многим сплавам серии 5xxx и некоторым сплавам серии 3xxx, используемым в морских условиях. Правильный выбор состояния сплава и поверхностной защиты — ключевые проектные факторы.

Технологические свойства

Свариваемость

Сварка 7068 затруднена из-за размягчения зоны термического влияния и значительной потери прочности в зоне шва; структура осадочного упрочнения нарушается тепловым воздействием. TIG и MIG сварка возможна для некритичных локальных соединений, используя технологии с минимальным тепловложением, но после сварки не всегда удаётся восстановить свойства основного металла для крупных конструкций. При необходимости сварки рекомендуется применять присадочные сплавы, соответствующие по уровню прочности и устойчивости к SCC (специальные алюминиевые присадки Al‑Zn‑Mg или менее прочные Al‑Si), а также процедуры с минимальным тепловложением.

Обрабатываемость

Обрабатываемость 7068 в пиково упрочнённом состоянии обычно хорошая по сравнению с высокопрочными сталями благодаря меньшей плотности и хорошему раздроблению стружки, однако высокая твёрдость ускоряет износ режущего инструмента. Лучшие результаты достигаются использованием карбидного инструмента, положительного угла резания и высокоскоростной обработки с интенсивным охлаждением. Часто применяется мехобработка в более мягком состоянии (О) с последующим окончательным старением для снижения износа и деформации при сложных операциях.

Обрабатываемость холодной деформацией

Формование лучше выполнять в отожжённом (O) или мягком состоянии; материал в состоянии T6/T651 имеет ограниченную пластичность и повышенный упругий отход. Радиусы гибки должны быть консервативными (например, значительно превышать толщину) в пиковых состояниях, чтобы избежать трещин в концентраторах напряжений. При необходимости значительной деформации производят операции в отожжённом состоянии с последующей растворяющей термообработкой и искусственным старением для достижения конечной прочности.

Особенности термообработки

Как сплав, поддающийся термообработке, 7068 соответствует классической металлургии осадочного упрочнения. Растворяющая закалка обычно проводится при температуре, необходимой для перевода легирующих элементов в твёрдый раствор (обычно ~470–500 °C в зависимости от сечения и печных режимов) с последующим быстрым охлаждением для сохранения пересыщенного твёрдого раствора. Искусственное старение (например, старение T6) выполняется при температурах примерно 120–160 °C с выдержками, подобранными для достижения максимальной твёрдости и прочности; время зависит от размера сечения и допуска на переотверждение.

Переотверждение для получения состояния T7 предусматривает более высокую температуру или более длительную выдержку для коарсения выделений; это снижает пиковую прочность, но повышает стойкость к SCC и вязкость разрушения. Обозначения T651 указывают на контролируемую правку или растяжку после закалки для уменьшения внутренних напряжений и деформаций. Из-за чувствительности к охлаждению толстые сечения требуют модифицированных циклов или прерывистого охлаждения с использованием микроалюминиевых дисперсных включений (Zr, Ti) для снижения зависимости от процесса термообработки.

Работа при повышенных температурах

7068 сохраняет повышенную прочность относительно менее легированных алюминиевых сплавов при умеренно высоких температурах, однако при приближении температуры к ~120–150 °C наблюдается значительное снижение прочности. Длительное воздействие выше ~100–120 °C вызывает структурные изменения (коарсение упрочняющих выделений) и заметное снижение предела текучести и твёрдости; допускаемые температуры для ответственных нагрузочных узлов обычно устанавливаются значительно ниже этих значений.

Окисление минимально по сравнению с ферросплавами, но воздействие повышенных температур может менять характеристики поверхностной оксидной плёнки и влиять на коррозионную стойкость. В сварных соединениях зона термического влияния особенно уязвима; локальное размягчение и растворение/вновь выделение фаз уменьшают местную несущую способность и способствуют ползучести или разрушению при длительных высокотемпературных нагрузках.

Области применения

Отрасль	Пример изделий	Преимущества использования 7068
Авиакосмическая	Конструкционные фитинги и высоконагруженные штифты	Исключительное соотношение прочности к весу и высокий предел текучести для облегчённых конструкций
Оборона / Оружие	Корпуса, затворы, высокопрочные компоненты	Высокая статическая прочность и обрабатываемость для прецизионных деталей
Мотоспорт / Автомобилестроение	Подвесные рычаги, соединители каркасов безопасности	Высокая прочность позволяет снизить массу деталей при динамических нагрузках
Спортивные товары	Высокопроизводительные рамы велосипедов, фурнитура	Снижение массы при высокой жёсткости
Электроника	Конструкционные рамы и кронштейны	Высокое соотношение жёсткости к весу и хорошая обрабатываемость для компактных сборок

7068 выбирается для применения, где высокая прочность и предел текучести обеспечивают облегчённые и более жёсткие конструкции, а производственные цепочки могут обеспечить контролируемую термообработку и защитную отделку. Сплав особенно востребован, когда экономия массы приводит к улучшению производительности или топливной эффективности, а защитные покрытия и конструктивные решения минимизируют коррозионные и усталостные риски.

Рекомендации по выбору

При выборе 7068 отдавайте предпочтение, когда в конструкции необходимы максимально высокие предел текучести и временное сопротивление для кованого алюминия, и когда технологические процессы позволяют контролируемую термообработку и защитные покрытия. Следует учитывать более высокую стоимость материала и повышенные требования к обработке и хранению по сравнению с общераспространёнными алюминиевыми сплавами.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), 7068 жертвует электрической и теплопроводностью, а также пластичностью при комнатной температуре ради многократного увеличения прочности и жёсткости; выбирайте 7068, когда основным критерием является конструкционная прочность. По сравнению с упрочненными холодной деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 7068 обеспечивает значительно более высокие статические показатели прочности, но обычно обладает меньшей внутренней коррозионной стойкостью в хлоридных средах и худшей холодной формуемостью. В сравнении с распространёнными термически упрочняемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 7068 значительно превосходит их по пределу текучести и временно сопротивлению разрыву; выбирайте 7068 в тех случаях, когда более высокая прочность оправдывает увеличенные затраты, а ограничения по сварке и соединениям находятся под контролем.

Итоговое резюме

Сплав 7068 остаётся актуальным там, где требуется максимально возможная практическая прочность в деформируемом алюминиевом материале и где в конструкциях, чувствительных к весу, важен повышенный показатель прочности к массе. Его специализированный химический состав и отклик на термообработку позволяют создавать конструкционные решения, недостижимые с использованием сплавов с меньшей прочностью, при условии применения соответствующих подходов в проектировании, изготовлении и антикоррозионной защите для снижения чувствительности сплава.