Алюминий 7075: состав, свойства, руководство по состоянию и области применения

Обзор

7075 — это представитель алюминиевых сплавов серии 7xxx, основанных на Zn-Mg-Cu, обладающих высокой прочностью и предназначенных преимущественно для конструкционных применений. Основные легирующие элементы: цинк (Zn) — основной упрочнитель, магний (Mg) — образует фазы упрочнения осаждением с цинком, медь (Cu) — повышает прочность и закаливаемость; незначительные добавки хрома (Cr) и титана (Ti) контролируют зеренную структуру и рекристаллизацию. Механизм упрочнения — термически обработанное фазовое упрочнение (старение), а не упрочнение деформацией, благодаря чему после растворяющей термообработки и искусственного старения достигаются очень высокие предел текучести и временное сопротивление разрыву.

7075 характеризуется очень высоким отношением прочности к весу, умеренной усталостной выносливостью, ограниченной коррозионной стойкостью по сравнению с семействами 5xxx и 6xxx, а также низкой свариваемостью плавлением без специальных технологий; формуемость ограничена в пиковых состояниях Т, но улучшается в отожженном или слабо состаренном состоянии. Типичные отрасли применения — первичные и вторичные конструкции в авиации, высокопроизводительные автокомпоненты, оборонное оборудование, оснастка и спортивные товары с высокой прочностью. Конструкторы выбирают 7075, когда на первом месте стоят прочность и жёсткость на единицу массы, а управляемый контроль изготовления и защита от коррозии компенсируют его недостатки.

7075 предпочитают другим алюминиевым сплавам при требованиях к статической прочности, близкой к стальной, при существенной экономии массы. Он конкурирует с титаном и высокопрочными сталями в высокопроизводительных применениях, где приемлемы точная механическая обработка с высокими допусками и последующая термообработка. Сплав избегают там, где доминируют требования к сварке в полевых условиях, высокой пластичности холодной штамповки или длительной неремонтируемой морской эксплуатации.

Варианты состояния (темпера)

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полное отжиг для формовки и механической обработки
H14	Умеренный	Умеренное	Средняя	Плохая	Упрочнен деформацией; используется для экструдированных профилей и холодной обработки
T4	Умеренный	Хорошее	Хорошая	Плохая	Растворяющая термообработка и естественное старение
T5	Высокий	Умеренное	Средняя	Плохая	Охлаждение после горячей обработки и искусственное старение
T6	Очень высокий	Средне-низкое	Ограниченная	Плохая	Растворяющая термообработка и искусственное старение (пиковая прочность)
T73	Высокий (переслоенное)	Умеренное	Улучшенная	Плохая	Переслоенное состояние для повышения стойкости к межкристаллитной коррозии и вязкости
T651	Очень высокий	Средне-низкое	Ограниченная	Плохая	T6 с последующим снятием напряжений растяжением (размерная стабильность)

Состояние термообработки оказывает первоочередное влияние на механические свойства и технологичность 7075. Отожжённое (O) и растворенно-термообработанное состояния предпочтительны для формовки и холодного растяжения, тогда как T6/T651 обеспечивают максимальную статическую прочность за счёт снижения пластичности и формуемости. Переслоенные состояния, такие как T73, жертвуют максимальной прочностью ради повышения стойкости к коррозионному растрескиванию и умеренного улучшения вязкости, что делает их подходящими для коррозионных или ответственных по усталости условий.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	Макс 0.40	Примесь; влияет на литьё и высокотемпературные свойства
Fe	Макс 0.50	Примесь, формирующая интерметаллиды и снижающая вязкость
Mn	Макс 0.30	Минорный элемент, иногда добавляется для контроля структуры зерна
Mg	2.1–2.9	Необходим для образования упрочняющих осадков MgZn2
Cu	1.2–2.0	Повышает прочность и закаливаемость, снижает коррозионную стойкость
Zn	5.1–6.1	Основной элемент упрочнения, формирующий MgZn2
Cr	0.18–0.28	Контролирует рекристаллизацию, повышает вязкость
Ti	Макс 0.20	Модификатор зерна, используется в отливках и первичных слитках
Прочие	Макс 0.15 суммарно	Включает остаточные элементы, такие как Zr, Sr; поддерживается на низком уровне для стабильности свойств

Поведение 7075 определяется трёхкомпонентной системой Zn–Mg–Cu, где осадки MgZn2 (фаза эта) являются основными упрочняющими фазами при правильном старении. Медь повышает прочность и способствует упрочнению, но при этом ускоряет локальную коррозию и повышает восприимчивость к коррозионному растрескиванию под напряжением. Хром и следовые элементы улучшают зеренную структуру и способствуют сохранению вязкости и стабильности при термомеханической обработке.

Механические свойства

Растягивающее поведение 7075 сильно зависит от состояния термообработки. Состаренные состояния демонстрируют высокие пределы прочности и текучести благодаря мелкодисперсным осадкам. В состояниях T6/T651 характеристика напряжение-деформация характеризуется относительно высоким пределом упругости и ограниченным равномерным удлинением, что приводит к сравнительно низкому общему удлинению по сравнению со сплавами 5xxx и 6xxx. Твёрдость следует той же тенденции: пиковое старение даёт максимальные значения твёрдости, соответствующие самому упрочнённому состоянию.

Усталостные характеристики в целом хорошие при правильной обработке и дробеструйной обработке, но зависят от состояния поверхности, остаточных напряжений и коррозии. Свойства зависят от толщины: в больших сечениях прочностные характеристики могут снижаться из-за замедленного охлаждения и более крупного распределения осадков. Концентрация напряжений у прочности и текучести может способствовать коррозионному растрескиванию, особенно в пиково состаренных состояниях при воздействии влажной хлоридной среды.

Выбор обработки и состояния сильно влияет на режимы разрушения; переслоенные состояния повышают стойкость к коррозионному растрескиванию и вязкость ценой снижения предельной прочности. При использовании состояний T6 и аналогичных в динамических или критичных к разрушению компонентах следует учитывать снижение пластичности и чувствительности к концентратам напряжений.

Свойство	O / Отожженное	Основное состояние (T6/T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	~170–280 MPa (25–40 ksi)	~540–620 MPa (78–90 ksi)	Значения пикового старения T6/T651 зависят от толщины и поставщика
Предел текучести	~60–150 MPa (9–22 ksi)	~470–540 MPa (68–78 ksi)	Предел текучести значительно увеличивается после старения
Относительное удлинение	~20–35%	~5–12%	Удлинение снижается в пиковых состояниях и с ростом толщины
Твёрдость	~45–70 HB	~150–190 HB	Твёрдость по Бринеллю коррелирует с прочностью после старения

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.81 г/см³	Типично для высокопрочных алюминиевых сплавов на основе Zn–Mg–Cu
Температура плавления	~477–635 °C	Диапазон солидуса–ликвидуса зависит от состава и примесей
Теплопроводность	~130–150 Вт/(м·К)	Ниже, чем у чистого алюминия и некоторых сплавов 6xxx из-за легирующих элементов
Электропроводность	~30–40% IACS	Снижена по сравнению с 1100 или 6061 вследствие легирующих добавок
Удельная теплоёмкость	~0.96 кДж/(кг·К)	Типично для алюминиевых сплавов вблизи комнатной температуры
Коэффициент теплового расширения	~23–24 ×10⁻⁶ /К	Похож на коэффициенты других деформируемых алюминиевых сплавов

Физические свойства 7075 отражают его состав: плотность лишь незначительно выше, чем у других серий, тогда как электропроводность и теплопроводность понижены из-за легирующих элементов. Тепловые и электрические характеристики остаются пригодными для многих конструкционных применений, но уступают чистому алюминию в теплоотводах или проводниках, где требуется максимальная проводимость.

Термические режимы обработки ограничены температурами плавления и скоростью осадкообразования; требуется тщательный контроль температуры растворяющей термообработки и жесткости закалки для достижения целевых механических свойств. Умеренный коэффициент теплового расширения необходимо учитывать при проектировании многоматериальных узлов.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Типичные состояния	Примечания
Лист	0,2–6 мм	Хорошие свойства при T6/T651; ограниченная формуемость в состояниях с максимальной прочностью	O, T4, T5, T6, T73	Широко применяется для обработанных и деформированных компонентов после старения
Плита	6–100+ мм	Прочность снижается с увеличением толщины из-за чувствительности к закалке	O, T6, T651, T73	Толстые плиты требуют специальной термообработки и оснастки для закалки
Экструзия	Переменные сечения	Механические свойства варьируются в зависимости от толщины сечения	O, H14, T6 (ограниченно)	Производятся сложные профили, но возрастное упрочнение может вызывать деформацию
Труба	От тонкостенных до толстостенных	Аналогичное поведение, как у листа; сварные трубы имеют проблемы с зоной термического влияния (ЗТИ)	O, T6	Трубы с продольным швом требуют опций термообработки после сварки
Пруток/штанга	Ø3–200 мм / слитки	Высокая прочность в состоянии T6; чувствительность к градиентам закалки	O, T6, T651	Распространены для механически обработанных конструкционных деталей и крепежа

Различия в обработке между формами обусловлены закаливаемостью и размером сечения. Тонкие сечения и мелкие прутки быстро закаливаются и надёжно достигают максимальных свойств T6, тогда как толстые плиты и крупные поковки требуют специализированных сред для закалки и оснастки, чтобы избежать градиентов свойств. Экструзии и сварные изделия вводят проблемы ЗТИ и остаточных напряжений, что может потребовать постфабрикационной термообработки или выбора состояний с пониженной прочностью (перезакаленных).

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	7075	США	Обозначение Aluminum Association, часто указанное в технических паспортах поставщиков
EN AW	7075 (AlZn5.5MgCu)	Европа	Похожий химический состав; европейские состояния соответствуют AA, но отличаются по обозначениям
JIS	A7075	Япония	Эквивалентный сплав с пределами примесей и обозначениями состояний по JIS
GB/T	7075	Китай	Китайская стандартная марка с сопоставимым составом, но возможны отличия по предельным примесям и методам контроля

Скрытые различия между регионами связаны с допустимыми уровнями загрязнений, системой обозначения состояний и сертифицированными механическими свойствами для конкретных форм и толщин продукции. Закупка должна ссылаться на применимый национальный стандарт и проверочные документы; перекрёстная сертификация может потребоваться для критических авиационных или оборонных применений. Поставщики часто предлагают собственные обозначения (например, 7075-T6511), требующие внимания к точной истории обработки.

Коррозионная стойкость

7075 обладает лишь умеренной стойкостью к атмосферной коррозии по сравнению с алюминиевыми сплавами серий 5xxx и 6xxx. Наличие меди повышает восприимчивость к локальной коррозии, такой как питтинг и межкристаллитная коррозия, в средах, содержащих хлориды. Для наружного применения и морских условий обычно применяют защитные меры — органические покрытия, анодирование, клёпку или катодную защиту.

Трескостойкость от коррозии под напряжением (SCC) — критический фактор для 7075, особенно в состояниях максимального старения T6 и аналогичных при длительном растяжении во влажных хлоридных средах. Перезакаленное состояние (T73) или выбор немного менее прочных состояний снижает восприимчивость к SCC, но уменьшает предельную прочность. Необходимо контролировать гальванические взаимодействия с другими металлами, поскольку электрохимический потенциал 7075 может ускорять коррозию менее благородных металлов, тогда как 7075 при этом сам подвержен локальному коррозионному разрушению в местах контакта при нарушении защитных покрытий.

По сравнению со сплавами серий 6xxx (например, 6061) и 5xxx (например, 5052) 7075 менее устойчив к агрессивным условиям эксплуатации; тем не менее, при правильной защите и уходе его высокая прочность часто оправдывает дополнительные меры контроля коррозии в аэрокосмической и высокотехнологичной отрасли.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка 7075 традиционными методами плавления обычно не рекомендована из-за высокой чувствительности к межкристаллитным трещинам, потере прочности в зоне термического влияния и плохому восстановлению исходных свойств. Фрикционная сварка трением может обеспечить приемлемое качество соединений в некоторых состояниях, однако сварная зона обычно требует последующей термообработки — растворения и старения, что часто невыполнимо для собранных конструкций. При необходимости сварки применяют специализированные присадочные материалы, предварительные и последующие термообработки, а также строгий контроль технологического процесса для минимизации охрупчивания и риска коррозионного растрескивания.

Обрабатываемость резанием

7075 считается легко обрабатываемым высокопрочным алюминиевым сплавом; он обрабатывается быстрее и с лучшей поверхностной отделкой, чем многие стали, благодаря низкой плотности алюминия и особенностям формирования стружки. Использование инструментов из твёрдого сплава или быстрорежущей стали с положительным углом наклона и интенсивным охлаждением обеспечивает длительный срок службы инструмента, а режимы резания обычно выше, чем для 6061. Стружка преимущественно непрерывная; необходим контроль отводa и фрагментации стружки для предотвращения повторного резания и перегрева для сохранения качества поверхности.

Формуемость

Формуемость хорошая в состояниях O и T4, но ограничена в состояниях максимального старения из-за снижения пластичности. Рекомендуемые минимальные радиусы гибки зависят от состояния и толщины, обычно превышают показатели более мягких Al-Mg сплавов, а пружинение значительное из-за высокой текучести. Для сложных форм рекомендуется формовка в отожженном состоянии с последующей термообработкой (растворением и старением), либо выбор альтернативных сплавов для значительной холодной деформации.

Поведение при термообработке

7075 — классический легированный сплав с упрочнением за счёт термообработки; типовой цикл включает растворяющую обработку, быструю закалку и искусственное старение. Растворяющая обработка проводится при температуре около 475–480 °C для растворения фаз MgZn2 и родственных соединений в алюминиевой матрице, после чего следует быстротакая закалка для получения пересыщенного твердого раствора. Искусственное старение (состояние T6) обычно выполняется при ≈120 °C в течение 12–24 часов для образования мелкодисперсных частиц MgZn2 и достижения близкой к максимальной прочности.

Перезакаленные состояния (серия T7x, например, T73) используют более высокие температуры старения или продолжительные циклы для коалесценции упрочняющих фаз, уменьшая максимальную прочность, но улучшая стойкость к коррозионным трещинам и вязкость разрушения. Обозначение T651 означает состояние T6 с последующим контролируемым растяжением для снятия остаточных напряжений; это часто требуется для аэрокосмических плит и профилей для стабилизации размеров. Контроль скорости закалки критичен: недостаточная скорость приводит к укрупнению выделений, снижению прочности и неоднородности свойств по толщине.

Не термообрабатываемое упрочнение за счёт наклёпа имеет ограниченное значение для 7075, поскольку основное упрочнение достигается за счет стадий выделения; существуют состояния Hxx, но они менее распространены и обладают пониженной прочностью по сравнению с термообработкой.

Работа при высоких температурах

7075 быстро теряет высокую прочность при повышении температуры эксплуатации выше обычной стабильности старения при комнатной температуре; значительное размягчение происходит при ≈100–120 °C вследствие перезакаливания фаз. Длительное воздействие умеренно повышенной температуры снижает предел текучести и временное сопротивление разрыву из-за коалесценции упрочняющих фаз и возможности рекристаллизации. Поэтому 7075 не является предпочтительным сплавом для конструкций, эксплуатируемых при высоких температурах.

Стойкость к окислению аналогична другим алюминиевым сплавам; алюминий формирует тонкую защитную оксидную плёнку, однако это не препятствует термоактивированному изменению выделений, ухудшающему механические характеристики. В сварных и термически циклированных деталях размягчение ЗТИ и локальная потеря прочности могут усугубляться тепловыми воздействиями, что делает необходимым постсварочные обработки или альтернативные методы соединения для изделий, экспонируемых к повышенным температурам.

Для кратковременного или прерывистого воздействия повышенной температуры при необходимости сохранения прочности проектировщикам следует рассчитывать допустимые температурно-временные режимы и рассматривать альтернативные сплавы или защитные режимы термообработки. Ползучесть 7075 ограничена по сравнению с алюминиевыми сплавами для высокотемпературных применений и обычно несущественна при типичных нагрузках.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Почему используется 7075
Аэрокосмическая	Крепления крыла, конструкционные поковки	Исключительное соотношение прочности к массе и усталостные свойства при правильной термообработке
Морская	Высокопрочные валы, крепления (с защитой)	Высокая прочность для ответственных по массе деталей с применением антикоррозионной защиты
Автомобильная	Компоненты высокопроизводительной подвески и шасси	Высокая статическая прочность для легких деталей с повышенными эксплуатационными характеристиками
Оборонная	Элементы оружия, крепления	Высокая прочность при растяжении и хорошая обрабатываемость для прецизионных деталей
Спортивные товары	Рамы велосипедов, снаряжение для альпинизма	Высокая прочность и усталостная стойкость для легкого и прочного оборудования
Электроника	Конструктивные крепления, некоторые теплоотводы	Комбинация жесткости и технологичности для конструктивных элементов

Сплав 7075 остается оптимальным выбором для применения, где максимальная статическая и усталостная прочность по массе являются ключевыми требованиями, а также при наличии возможностей для контроля изготовления и антикоррозионной защиты. Благодаря хорошей обрабатываемости и возможности получения деталей с высокой точностью подходит для компонентов с жесткими допусками и высококачественной поверхностью.

Рекомендации по выбору

Используйте 7075, когда соотношение прочности к массе критично, а технологические процессы (термообработка, механическая обработка, покрытия) находятся под строгим контролем. Этот сплав идеален для аэрокосмических креплений, оборонного оборудования и прецизионных деталей, где высокая стоимость и меры по контролю коррозии оправданы за счет повышения технических характеристик.

В сравнении с коммерчески чистым алюминием (например, 1100), 7075 жертвует электропроводностью, теплопроводностью и отличной пластичностью ради порядка величины увеличения прочности; сплав 1100 предпочтителен при необходимости высокой проводимости или для глубокого вытяжения. По сравнению с упрочненными при холодной деформации сплавами, такими как 3003 или 5052, 7075 обеспечивает значительно более высокую статическую прочность, но имеет меньшую коррозионную стойкость и пластичность, поэтому последние чаще применяются для морского листового проката, топливных баков или сварных конструкций. В сравнении с термообрабатываемыми сплавами серии 6xxx (например, 6061), 7075 демонстрирует существенно более высокую пиковую прочность, но худшие свариваемость и коррозионную стойкость; выбирайте 7075 для максимальной прочности, а 6061 — когда важнее свариваемость, качество анодирования или общая коррозионная устойчивость.

При выборе учитывайте стоимость, наличие в цепочке поставок и необходимые постобработки; если предполагается сварка или значительная деформация в процессе эксплуатации, рассмотрите альтернативы в виде 6061 или 5052 несмотря на их меньшую прочность.

Итог

7075 остается ключевым высокопрочным алюминиевым сплавом, когда проектировщики требуют прочности, близкой к стали, при значительном снижении веса, обеспечиваемом тщательным контролем технологических процессов и антикоррозионных мероприятий. Его способность к упрочнению при старении позволяет создавать оптимальные сочетания прочности и вязкости в различных состояниях, что делает его незаменимым в аэрокосмической, оборонной и высокотехнологичной промышленности. Правильный выбор состояния сплава, защита поверхности и контроль процессов необходимы для полного раскрытия потенциала 7075 при управлении его ограничениями.