Алюминий 713: состав, свойства, марки прочности и области применения

Общий обзор

Сплав 713 относится к семейству высокопрочных алюминиевых сплавов, поддающихся термической обработке, и наиболее близок по химическому составу и эксплуатационным характеристикам к серии 7xxx. Основным компонентом, обеспечивающим прочность, является цинк, а также добавлены магний и медь для формирования микроструктуры с выделением упрочняющих фаз при старении.

Основным механизмом упрочнения сплава 713 является старение после растворяющего отжига, за которым следует контролируемое закаливание и искусственное старение; прочность достигается за счёт формирования когерентных и полукогерентных осадков фаз MgZn2 (эта). Ключевые характеристики включают высокие предел прочности и текучести для предлагаемой удельной плотности, умеренную или низкую стойкость к коррозии по сравнению со сплавами серий 5xxx/6xxx, а также ограниченную, но приемлемую технологичность в мягких состояниях; свариваемость требует осторожности, чтобы избежать размягчения зоны термического влияния (ЗТИ) и трещин.

Типичными отраслями применения сплава 713 являются аэрокосмические конструкционные элементы, высокопроизводительные автомобильные компоненты, оборонное оборудование, а также морская и спортивная техника, где важен высокий коэффициент прочность/масса. Этот сплав выбирают вместо менее прочных, когда приоритетом проектирования являются максимальная статическая и усталостная прочность, жёсткость и стойкость к повреждениям на единицу массы, а не абсолютная коррозионная стойкость или лёгкость сварки.

Проектировщики выбирают 713 когда требуется максимальная прочность алюминиевого сплава, поддающегося растворяющей термообработке, с относительно предсказуемой реакцией на старение и возможностью применения последующих мероприятий по восстановлению механических свойств после сварки или снижению коррозии (покрытия, анодирование, жертвенные сплавы).

Варианты состояний (температурных отпусков)

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое (12–20%)	Отличная	Отличная	Полностью отжиг, оптимальное для штамповки и вытяжки
H14	Средний	Среднее (8–12%)	Хорошая	Удовлетворительная	Холоднообработанное, ограниченное дополнительное упрочнение
T5	Средне-высокий	Среднее (6–10%)	Средняя	Удовлетворительная	Охлаждено после горячей обработки и искусственно состарено
T6	Высокий	Ниже (6–10%)	Удовлетворительная до плохой	Ограниченная	Растворяющий отжиг + искусственное старение; максимальная прочность
T651	Высокий	Ниже (6–10%)	Удовлетворительная до плохой	Ограниченная	T6 с релаксацией напряжений путём растяжки для стабилизации свойств
H112	Переменный	Переменный	Переменная	Переменная	Состояние после изготовления; контролируется поставщиком

Состояние (темпер) сильно определяет механические свойства сплава 713: отожжённое состояние O максимизирует пластичность и обрабатываемость за счет снижения прочности, тогда как T6/T651 обеспечивают максимальные пределы текучести и прочности при снижении удлинения и гибкости. Выбор состояния — это инженерный компромисс между требованиями к операциям формовки, конечной прочностью в эксплуатации и восприимчивостью к таким явлениям, как коррозионное растрескивание под напряжением и размягчение ЗТИ после сварки.

Химический состав

Элемент	Диапазон %	Примечания
Si	≤ 0.40	Примесь; незначительно влияет на fluidity литья и упрочнение
Fe	≤ 0.50	Fe-содержащие интерметаллиды могут снижать вязкость и усталостную долговечность
Mn	≤ 0.30	Малый модификатор зеренной структуры; ограниченное упрочнение твердым раствором
Mg	2.0–2.9	Основной компонент для образования осадков MgZn2; контролирует кинетику старения
Cu	1.2–1.8	Увеличивает прочность и твердость, может снижать коррозионную стойкость
Zn	5.1–6.5	Главный упрочняющий элемент, формирующий осадки Mg-Zn
Cr	0.10–0.30	Контролирует рекристаллизацию и структуру зерен, улучшает вязкость
Ti	≤ 0.10	Мелкодисперсный ранозернитель при литье или первичной обработке
Прочие (каждый)	≤ 0.05–0.15	Слыки и следовые элементы; остальное — алюминий

Номинальный химический состав 713 оптимизирован для упрочнения при старении: цинк и магний образуют доминирующие упрочняющие фазы при термообработке, тогда как медь повышает максимальную прочность и твердость, пожертвуя некоторой коррозионной стойкостью. Хром и следовой титан стабилизируют микроструктуру, способствуют раздроблению зерна и уменьшают склонность к рекристаллизации при термомеханической обработке.

Механические свойства

Поведение при растяжении сильно зависит от состояния (температуры) и толщины сечения. В пиково состаренном состоянии T6/T651 сплав демонстрирует высокие пределы прочности и текучести с умеренным удлинением, тогда как отожжённый материал имеет значительно меньшую прочность, но превосходит по пластичности и вязкости. Кривая напряжение-деформация обычно показывает ограниченную равномерную пластичность перед локальным сжатием (шееобразным сжатием) в состояниях высокой прочности, при этом модуль упругости и эластичность на уровне других алюминиевых сплавов.

Предел текучести и прочность чувствительны к параметрам старения и толщине сечения; более толстые детали остывают медленнее при закалке, что может снижать достигнутую твердость и изменять кинетику старения. Твердость часто используется на производстве как индикатор состояния и уровня прочности, где методы Бринелля или Виккерса коррелируют с данными растяжения. Усталостные характеристики конкурентоспособны для данного класса при контроле качества поверхности и остаточных напряжений, но ресурс усталости сильно страдает от коррозии, надрезов и истории холодной деформации.

Показатель	O/Отожженный	Ключевое состояние (например, T6 / T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву (UTS)	240–320 МПа	520–590 МПа	Значения пикового старения T6 и T651 зависят от толщины и режима старения
Предел текучести (0.2% смещение)	110–200 МПа	450–540 МПа	Предел текучести значительно увеличивается от O к T6; в ЗТИ возможны локальные снижения
Относительное удлинение (на 50 мм)	12–20%	6–12%	Удлинение снижается после старения и холодной деформации; метод измерения важен
Твёрдость (HB)	60–80 HB	140–170 HB	Приблизительные диапазоны Бринелля; твердость коррелирует с прочностными свойствами

Физические свойства

Параметр	Значение	Примечания
Плотность	2.80 г/см³	Типично для высокопрочных алюминиево-цинково-магниево-медных сплавов; отличное удельное сопротивление нагрузке
Температура плавления	~500–635 °C (солидус — ликвидус)	Легирование снижает температуру ликвидуса ниже чистого алюминия; рычаги литья важны
Теплопроводность	~120–140 Вт/м·К	Ниже, чем у сплавов серии 6xxx и чистого алюминия, но всё ещё хорошая для отвода тепла
Электропроводность	~30–35 %IACS	Снижена из-за легирования; типична для сплавов серии 7xxx
Удельная теплоёмкость	~0.88 Дж/г·К	Сопоставима с другими деформируемыми алюминиевыми сплавами
Коэффициент теплового расширения	~23.2 µm/m·K	Близок к типичным значениям для алюминия; требуется учитывать тепловые деформации в проектировании

Набор физических свойств характеризует 713 как лёгкий, теплопроводный конструкционный металл с предсказуемым коэффициентом расширения и теплоёмкостью для задач теплового управления. Сниженная электропроводность по сравнению с чистым алюминием ограничивает применение сплава в высокотоковых проводниках, но теплопроводность остаётся достаточной для большинства применений в теплоотводах при необходимости сочетания механической прочности и тепловых характеристик.

Формы выпуска

Форма	Типичная толщина/размер	Механические характеристики	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.3–6.0 мм	Равномерные прочностные показатели для тонких сечений; благоприятно для холодной штамповки в состояниях O/H	O, H14, T5, T6	Широко применяется для панелей и наружных обшивок
Плита	6–200+ мм	Толщина существенно влияет на свойства; толстые плиты могут не достигать полной прочности T6 без специализированного охлаждения	O, T6, T651	Конструкционные применения требуют тщательного контроля закалки
Экструзия	Сечения до нескольких сотен мм	Механические свойства зависят от термомеханической обработки и старения; возможна структурная анизотропия	T5, T6, H112	Длинные профили для рам и ребер жёсткости
Труба	Ø10–200 мм	Свойства зависят от способа изготовления (бесшовные или сварные) и последующей термообработки	T6, T651	Гидравлические, конструкционные и транспортные трубы
Пруток/круг	Ø5–100 мм	Как правило выпускается в состояниях T6 или O; реакция на старение предсказуема	O, T6	Крепёж, фитинги, обработанные детали

Листы и тонкие полосы, как правило, легко формуются и обеспечивают стабильные механические показатели, тогда как плиты и толстые экструдаты требуют контроля скоростей охлаждения и предотвращения деформаций при растворяющем отжиге. Экструзии и прутки обычно подвергаются последующему старению (T5/T6) для оптимизации прочности, тогда как сварные трубы и конструкционные элементы нуждаются в после-сварочной термообработке или учёте размягчения ЗТИ в проектных допусках.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	713	США	Обозначение, используемое для этой патентованной/промышленной марки; поведение близко к классу 7xxx
EN AW	—	Европа	Нет точного эквивалента EN; ближайшие аналоги — EN AW-7075 и EN AW-7050
JIS	—	Япония	Нет прямого эквивалента JIS; сравнение часто проводится с сплавами A7075 по механическим свойствам
GB/T	—	Китай	Нет прямого эквивалента GB/T; китайские сплавы серии 7xxx показывают схожий состав и характеристики

Единого глобального стандарта, однозначно соответствующего 713, не существует; инженеры обычно ориентируются на проверенные сплавы семейства 7xxx (7075, 7050) для оценки поведения при проектировании, закупке и сертификации. Небольшие различия в пределах содержания меди, цинка и магния, а также присутствие микроэлементов (Cr, Zr, Ti) создают значимые отличия в реакции на старение, вязкости разрушения и восприимчивости к межкристаллитной коррозии, которые необходимо подтверждать сертификатами качества материала от поставщика.

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях сплав 713 демонстрирует приемлемое поведение при защите покрытий, красок или анодных пленок, однако при оголённом металле склонен к питтингу и отслаиванию больше, чем сплавы серий 5xxx и 6xxx. Содержание меди и высокопрочная структура упрочняющих фаз увеличивают восприимчивость к локальной коррозии и межкристаллитному разрушению, особенно в условиях циклического влажного/сухого режима или атмосфер с содержанием хлоридов.

При морском воздействии требуется осторожность: при надлежащей защите поверхности и катодной/анодной изоляции сплав может использоваться в слабоагрессивных условиях, но при постоянном погружении или в зонах забрызгивания чаще предпочтение отдают нержавеющей стали или сплавам серии 5xxx. Коррозионное растрескивание под напряжением представляет серьёзную проблему для высокопрочных термообработанных состояний (T6/T651), особенно при растягивающих остаточных напряжениях и повышенной концентрации хлоридов; меры по снижению риска включают уменьшение растягивающих напряжений, использование более мягких состояний или применение защитных систем.

Гальваническая пара с более благородными материалами (нержавеющая сталь, медные сплавы) может усилить локальную коррозию 713; для сборок из различных металлов рекомендуются жертвенные покрытия или изолирующие прокладки. По сравнению с семействами 3xxx/5xxx, 713 обеспечивает лучшие механические свойства, но уступает по коррозионной стойкости и требует системного инженерного подхода к защите от коррозии.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка 713 затруднена в высокопрочных состояниях. Стандартные сварочные процессы (TIG/MIG) вызывают значительное размягчение зоны термического влияния и потерю пиковых свойств вблизи шва, а сплав склонен к горячим трещинам без оптимизации выбора присадочного материала и проектирования соединения. Применение присадочных проволок с пониженной прочностью (например, аналоги 5356 или 4043 для алюминия) снижает риск образования трещин, но приводит к швам с прочностью ниже прочности основного металла; для восстановления структуры после сварки при возможности применяют последующую термообработку и механические технологии стабилизации.

Механическая обработка

Обработка 713 в состояниях T6/H обычно хороша по сравнению со многими высокопрочными сталями, но требует прочного режущего инструмента с покрытием из-за высокой прочности и склонности к наклёпу на режущей кромке. Эффективны карбидные инструменты с положительным углом режущей кромки и контролируемым дроблением стружки, работа при умеренных скоростях резания и повышенной подаче для предотвращения налипания. Достигаемые качества поверхности отличные, однако фиксация заготовок должна контролировать деформации для сохранения допусков.

Формуемость

Формование наиболее эффективно в отожженном (O) или мягком состоянии (H); радиусы гиба подбирают с учётом состояния и толщины, при этом отношение радиуса к толщине обычно больше в T6. Холодная формуемость быстро ухудшается с увеличением времени старения и содержания меди, поэтому проектировщики часто формируют детали в мягком состоянии с последующей растворяющей термообработкой и старением при возможности. Гидроформование и растяжение применимы для сложных форм при использовании отожжённого материала и контролируемых режимов деформации.

Поведение при термообработке

Сплав 713 является термообрабатываемым, проявляя классические переходы состояний Т: растворяющая термообработка растворяет растворимые фазы и формирует перенасыщенный твёрдый раствор, закалка фиксирует это состояние, искусственное старение выделяет упрочняющие фазы. Типичные температуры растворяющей обработки находятся в диапазоне 470–490 °C с последующим быстрым охлаждением до комнатной температуры для минимизации образования грубых фаз.

Режимы искусственного старения для получения максимальной прочности T6 обычно применяют при температуре 120–180 °C в течение нескольких часов; варианты режимов обеспечивают условия, схожие с T5 или недоста́реными, для повышения вязкости и снижения восприимчивости к коррозионному растрескиванию при некоторой потере прочности. Вариант T651 включает контролируемое растяжение для снятия остаточных напряжений после закалки и до старения, стабилизируя геометрию для ответственных конструкций.

Если требуется отжиг, проводится полное размягчающее термообработка (состояние O) при температурах около 340–400 °C с медленным охлаждением для рекристаллизации и восстановления пластичности; упрочнение холодной деформацией является альтернативным методом повышения прочности без термообработки при невозможности её применения.

Работа при повышенных температурах

Прочность 713 начинает заметно ухудшаться при температурах выше примерно 120–150 °C из-за изменения стабильности упрочняющих фаз и их коарснения, что снижает предел текучести и временное сопротивление разрыву. Непрерывная эксплуатация при температурах свыше ~150 °C обычно не рекомендуется для несущих конструкций, если не используются специальные термостойкие состояния. Окисление на воздухе ограничено за счёт образования естественной оксидной плёнки, но при повышенных температурах ускоряется образование поверхностных оксидных слоёв и может меняться характер возникновения усталостных трещин.

В ЗТИ при локальном высоком тепловом воздействии (сварка) появляются размягчённые полосы и растворение упрочняющих фаз, что требует последующей термообработки для восстановления свойств критичных деталей. Ползучесть при повышенных температурах ограничена; для длительной термоэксплуатации конструкторы часто выбирают термостойкие алюминиевые сплавы или альтернативные материалы для изделий, которые должны сохранять значительную прочность выше комнатных температур.

Области применения

Отрасль	Пример детали	Причина применения 713
Автомобильная	Рычаги подвески высокой производительности, силовые балки	Высокое удельное сопротивление и жёсткость для снижения массы
Морская	Штанги рулей, высокопрочные кронштейны	Соотношение прочности к массе и разумная коррозионная стойкость при покрытии
Аэрокосмическая	Фурнитура, направляющие закрылков, компоненты шасси (не основные)	Высокая статическая и усталостная прочность, хорошая обрабатываемость
Электроника	Радиаторы тепла и несущие шасси	Хорошая теплопроводность в сочетании с повышенной прочностью

В этих отраслях 713 выбирают там, где решения проектирования зависят от жесткости и прочности на единицу массы и где возможна организация систем защиты поверхности для контроля коррозии. Сплав особенно полезен при необходимости механической обработки и последующей доработки для изготовления сложных несущих элементов.

Рекомендации по выбору

Выбирайте сплав 713, когда проект ориентирован на максимальную удельную прочность и возможна интеграция процессов старения и термической обработки в производственный цикл. Для операций формования указывайте более мягкие состояния с последующим заключительным старением для достижения требуемых механических характеристик.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100) 713 жертвует электропроводностью и формуемостью ради повышения прочности и жесткости в пиковых состояниях. По сравнению с распространёнными упрочненными холодной деформацией сплавами, например 3003 или 5052, 713 существенно превосходит их по прочности и усталостной стойкости, но уступает по коррозионной стойкости и требует термообработки. По сравнению с термообрабатываемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, 713 достигает более высокой пикового прочности при схожей плотности, но часто с потерями в вязкости, свариваемости и устойчивости к коррозионному растрескиванию; выбирайте 713, если соотношение прочность/масса важнее этих компромиссов.

Заключение

Сплав 713 остаётся ценным высокопрочным, термообрабатываемым алюминиевым материалом, когда требуется максимальная механическая производительность на единицу массы, а производственные процессы могут обеспечить контроль термообработки, защиту поверхности и остаточных напряжений. Его специально подобранный химический состав обеспечивает конструкторам мощный баланс прочности, обрабатываемости и термических свойств при условии комплексного подхода к коррозионной защите и методам соединения деталей.