Алюминий 7175: Состав, свойства, руководство по состояниям и области применения

Обширный обзор

7175 — это высокопрочный алюминиевый сплав серии 7xxx, основным легирующим элементом которого является цинк. Он разработан в первую очередь для аэрокосмических и высоконагруженных конструкционных применений, где критически важны соотношение прочности к массе и усталостная стойкость.

Основные легирующие элементы сплава включают цинк, магний и медь, с примесями хрома, титана или циркония, которые используются для контроля структуры зерна и рекристаллизации. Эти элементы обеспечивают упрочнение за счёт выделения фаз; 7175 — это сплав, поддающийся термообработке, который достигает своей прочности путем растворяющей закалки, закаливания и искусственного старения с образованием мелких η (MgZn₂)-фазовых выделений.

Ключевые характеристики 7175 включают очень высокую статическую прочность и хорошую усталостную производительность для своего класса, умеренную или низкую коррозионную стойкость по сравнению со сплавами серии 5xxx/6xxx, ограниченную свариваемость и сниженную пластичность в пиковой закалке. Типичные области применения — основные и второстепенные аэрокосмические конструкции, оборонные изделия и высоконагруженные крепежи, где приоритетом является максимальная конструктивная эффективность. Инженеры выбирают 7175, когда требуются максимальные показатели временного и предела текучести и устойчивость к росту усталочных трещин выше простоты соединения, формовки или минимальной стоимости материала.

Варианты термообработки

Закалка	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкая	Высокое (20–30%)	Отличная	Отличная	Полностью отожжённый для формовки и снятия напряжений
H112	Средняя	Среднее (10–15%)	Хорошая	Удовлетворительная	Упрочнён холодной деформацией, используется для ограниченной формовки и стабилизации
T6	Очень высокая	Средняя (6–12%)	Ограниченная	Низкая	Решающе закалён и искусственно старен до максимальной прочности
T651	Очень высокая	Средняя (6–12%)	Ограниченная	Низкая	T6 с последующим снятием напряжений путём растяжения; стандарт для аэрокосмических листов
T73	Высокая (но ниже, чем T6)	Улучшенная (8–14%)	Средняя	Низкая	Перезакалка для повышения коррозионной и стресс-коррозионной стойкости
T7651	Высокая	Средняя	Ограниченная	Низкая	Контролируемое предварительное старение и стабилизация для повышения вязкости

Тип термообработки оказывает первоочередное влияние на характеристики 7175: пиковые закалки (T6/T651) максимизируют прочность при растяжении и предел текучести, но снижают пластичность и формуемость и увеличивают восприимчивость к стресс-коррозионному растрескиванию. Перезакалочные режимы, такие как T73, намеренно уменьшают пиковую прочность для значительного улучшения устойчивости к стресс-коррозионному растрескиванию и повышения вязкости разрушения, создавая компромисс между силовыми характеристиками и устойчивостью к агрессивным условиям.

Выбор закалки при производстве определяется требуемыми конечными свойствами, последующими операциями формовки или обработки и условиями эксплуатации; например, для листов, требующих сохранения высокой статической прочности с минимальными остаточными напряжениями, часто применяется T651, тогда как для компонентов в коррозионных средах может быть указан T73 или химическая обработка поверхности.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Si	≤ 0.10	Примесь; снижает образование интерметаллидов и улучшает чистоту литья
Fe	≤ 0.15	Примесь; избыток снижает вязкость и увеличивает количество включений
Mn	≤ 0.10	Низкий уровень; не является основным упрочняющим элементом в сплавах серии 7xxx
Mg	2.0–2.9	Образует с Zn упрочняющие выделения MgZn₂
Cu	1.2–2.0	Повышает прочность и способность к упрочнению, может снижать коррозионную стойкость
Zn	6.0–7.5	Основной упрочняющий элемент благодаря образованию Mg–Zn выделений
Cr	0.10–0.30	Контролирует зеренную структуру и рекристаллизацию, улучшает вязкость
Ti	≤ 0.05	Рефинер зерна, используется в металлургии слитков и обработке заготовок
Прочие (Zr, V, остаток Al)	Трассы / Остаток	Zr или другие микроэлементы присутствуют для стабилизации микроструктуры

Система Zn–Mg–Cu отвечает за упрочнение при старении в 7175; цинк и магний образуют η-фазовые выделения, которые обеспечивают основное повышение прочности, а медь увеличивает прочность и влияет на морфологию выделений и электрохимические свойства. Добавки хрома и следовые количества циркония или титана тормозят рост зерна в процессе обработки и контролируют рекристаллизацию, что необходимо для сохранения вязкости и устойчивости к усталости в толстых сечениях.

Механические характеристики

7175 демонстрирует очень высокие показатели временного сопротивления и предела текучести в пиковой закалке, с чёткой точкой текучести и ограниченным равномерным удлинением. Сплав обладает отличной усталостной прочностью и высокой устойчивостью к инициации трещин при контролируемой микроструктуре и низком содержании включений, что делает его особенно подходящим для структурных деталей с циклическими нагрузками.

Предел текучести и удлинение сильно зависят от закалки; в состояниях T6/T651 достигаются максимальные значения предела текучести, но снижается пластичность и вязкость, в то время как T73 несколько снижает предел текучести, но значительно улучшает вязкость разрушения и сопротивление стресс-коррозионному растрескиванию. Твёрдость следует той же тенденции, что и прочность, при этом условия пиковой закалки показывают значительное повышение значений по Бринеллю или Роквеллу по сравнению с отожжёнными состояниями.

Толщина и форма изделия влияют на свойства из-за различий в скоростях охлаждения, остаточных напряжениях и структуре зерна; толстолистовые заготовки и поковки могут требовать специализированной термомеханической обработки и режимов старения для получения однородных свойств по сечению и уменьшения деформаций и остаточных напряжений от закалки.

Показатель	O/Отожженное	Основной тип закалки (T6 / T651)	Примечания
Прочность при растяжении	~240–320 МПа	~540–590 МПа	Типичные значения пиковой прочности для аэрокосмических сплавов серии 7xxx
Предел текучести	~120–220 МПа	~470–520 МПа	Значительное увеличение с старением; диапазон зависит от формы изделия
Относительное удлинение	20–30%	6–12%	Пластичность снижается в высокопрочных состояниях
Твёрдость (HB)	~60–80 HB	~150–165 HB	Твёрдость коррелирует с уровнем упрочнения при старении

Физические свойства

Показатель	Значение	Примечания
Плотность	2.80–2.82 г/см³	Типично для высокопрочных алюминиевых сплавов
Температура плавления	~477–635 °C	Солидус ~477–490 °C, ликвидус приблизительно равен чистому Al ~635 °C
Теплопроводность	~120–140 Вт/(м·К)	Ниже, чем у чистого алюминия из-за легирования; при этом значительно выше характеристик сталей
Электропроводность	~30–40 % IACS	Сниженная по сравнению с малоалюминиевыми сплавами из-за рассеивающего действия растворённых атомов
Удельная теплоёмкость	~0.90 кДж/(кг·К)	~900 Дж/(кг·К) при комнатной температуре
Коэффициент термического расширения	~23–24 мкм/(м·К)	Похож на другие алюминиевые сплавы; учитывайте при расчёте болтовых соединений

Несмотря на сильное легирование, 7175 сохраняет хорошую теплопроводность по сравнению со сталями, что обеспечивает умеренные возможности отвода тепла в некоторых применениях, хотя тепловые характеристики уступают чистому алюминию. Электропроводность снижена из-за рассеяния носителей тока растворёнными элементами; поэтому 7175 не выбирают, если основное требование — высокая электропроводность. Совокупность сравнительно низкой плотности и высокой прочности обеспечивает отличное соотношение прочности к массе, что и является главным фактором выбора в высоконагруженных конструкционных изделиях.

Формы продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0.5–6 мм	Хорошие свойства в тонких сечениях; может ограничиваться формуемостью	O, H112, T6	Используется для вспомогательных конструкций; не подходит для интенсивного штамповки в состоянии T6
Плита	6–150+ мм	Прочность зависит от толщины из-за чувствительности к закалке	T651, T73	Авиастроительные конструкционные плиты с контролируемой закалкой и выдержкой
Экструзия	Ограничена	Ограниченная коммерческая доступность; прочность зависит от сечения	T6, T73 (редко)	Экструзии из серии 7xxx менее распространены; требуют тщательной гомогенизации
Труба	Разные размеры	Высокая прочность возможна в протяжённых/обработанных трубах	T6, T651 (фабрикат)	Применяется для высоконагруженных трубчатых соединений; сварка и соединение ограничены
Пруток/Круг	Диаметром до 200 мм	Хорошие осевые свойства при правильной термообработке	T6, T73	Используется для поковок, механически обработанных компонентов, а также нагруженных штифтов и соединений

Технологические особенности влияют на достигаемую микроструктуру: плиты и листы обычно производятся прокаткой и требуют точного контроля закалки для предотвращения перезакалки или мягких зон, тогда как поковки и прутки могут использовать различные режимы гомогенизации и растворения для контроля размера зерна. Экструзии и сложные профили менее распространены для 7175 из-за склонности к горячим трещинам и рекристаллизации, поэтому для сложных экструзий предпочтительнее сплавы серии 6xxx.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	7175	США	Обозначение Американской ассоциации алюминия для химического состава сплава
EN AW	7175	Европа	EN AW-7175 используется в европейских спецификациях; происхождение обработки влияет на таблицы свойств
JIS	A7175	Япония	Похожий состав; JIS часто включает дополнительные производственные требования
GB/T	2A7175 / 7175	Китай	Китайские стандарты соответствуют химическому составу и механическим свойствам AA 7175

Тонкие различия между региональными стандартами обычно связаны с допусками по составу, оговорёнными состояниями и процедурами квалификационных испытаний, а не с принципиальными отличиями в химии. Производственные маршруты (литейная металлургия против непрерывнолитых и гомогенизированных заготовок) и национальные практики термообработки могут создавать незначительные различия в уровне примесей, контроле зеренной структуры и типичных механических свойствах; инженеры должны указывать требуемые механические и экологические характеристики, а не полагаться только на номинальные обозначения марок.

Коррозионная стойкость

При атмосферном воздействии 7175 обладает умеренной коррозионной стойкостью, но уступает сплавам серии 5xxx и многим сплавам 6xxx из-за более высокого содержания меди, которая повышает электрохимическую активность. В чистых, окрашенных или защищённых средах экспозиции характеристики приемлемы для многих конструкционных применений, но сплав выигрывает от нанесения облицовки (alclad) или надёжных конверсионных покрытий при длительной атмосферной эксплуатации.

Морская или солевая среда ускоряет питтинговую и межзеренную коррозию высокопрочных сплавов серии 7xxx; 7175 чувствителен к локальной коррозии, если не применяется сверхстарение (T73) или защитные покрытия и герметики. Конструкции крепежа и соединений должны минимизировать щели и предусматривать жертвенную защиту или изоляционные материалы при наличии гальванически несовместимых металлов.

Трещинообразование под напряжением (SCC) известно как риск для высокопрочных состояний сплавов серии 7xxx, особенно при наличии остаточных растягивающих напряжений и агрессивных сред. Методы снижения риска включают сверхстарение, послесварочную термообработку и строгий контроль качества поверхности и состава; гальванические взаимодействия с сталями или сплавами на основе меди неблагоприятны, конструкторам рекомендуется избегать прямого контакта с более благородными металлами или применять изоляцию.

Свойства при обработке

Свариваемость

Сварка 7175 представляет сложности; дуговая сварка (TIG/MIG) обычно приводит к значительному снижению прочности в зоне термического воздействия и высокому риску горячих трещин. Если сварка неизбежна, применяют специальные присадочные материалы и жёсткий контроль нагрева до и после сварки, но для сохранения прочности предпочитают соединения заклёпками, болтами или адгезионным склеиванием. Размягчение ЗТВ часто требует местного механического усиления или послесварочной обработки, которую сложно выполнить без ухудшения других свойств.

Обрабатываемость

В максимальных состояниях 7175 хорошо обрабатывается по сравнению со многими сталями благодаря низкой плотности и хорошему поведению при образовании стружки, но износ инструмента повышается из-за высокой твёрдости и наклёпа. Рекомендуются режущий инструмент с карбидными пластинами, жёсткое закрепление заготовки, консервативные подачи и положительный угол режущей кромки; использование СОЖ важно для поддержания точности размеров и снижения прилипания стружки. Индексы обрабатываемости ниже, чем у алюминиевых сплавов серии 2xxx, но сопоставимы с другими сплавами 7xxx.

Формуемость

Становление наиболее эффективно в отожженных (O) или упрочнённых холодной деформацией (H) состояниях; глубокая вытяжка и сложное штампование обычно невозможны в состояниях T6/T651 без предварительного отжига или технологии тёплого формования. Радиусы гиба следует увеличивать по сравнению с мягкими сплавами, а пружинистость выше из-за повышенного предела текучести. Холодная деформация дополнительно увеличивает прочность и может применяться для достижения требуемых механических характеристик совместно с соответствующими циклами выдержки.

Особенности термообработки

Растворяющая закалка 7175 обычно проводится при температуре 470–480 °C для растворения упрочняющих фаз в твёрдом растворе; время выдержки и толщина сечения определяют степень гомогенизации. Быстрая закалка необходима для сохранения солют в пересыщенном твёрдом растворе; недостаточная скорость охладждения приводит к образованию крупных осадков и снижению прочности и вязкости после старения.

Искусственное старение для получения состояния T6 обычно проводится при температуре около 120–140 °C с длительностью, подобранной под размер сечения, для формирования мелкодисперсных осадков фазы η и максимизации прочности. Перезакаливание (T73) используют более высокие температуры старения или увеличенную выдержку для коарсения осадков, что снижает прочность но значительно повышает стойкость к трещинообразованию под напряжением и вязкость.

Переходы между Т-состояниями чувствительны к предыдущей пластической деформации, скорости охлаждения и уровню примесей; контролируемое растяжение (для получения T651) снижает остаточные напряжения и улучшает размерную стабильность, но требует строго контролируемых параметров для сохранения заданных механических характеристик. Для ответственных авиационных применений часто указываются непосредственно параметры стабилизации после термообработки и программы растворения/старения.

Поведение при высоких температурах

7175 теряет значительную прочность с повышением температуры; эксплуатация при температурах выше ~120 °C снижает упрочнение осадками и существенно уменьшает предел текучести и временное сопротивление разрыву. Ползучесть при высоких температурах ограничена по сравнению с жаропрочными сплавами; длительное воздействие нагрузок при температурах свыше 100–125 °C требует подтверждения стабильности размеров и ресурса.

Окисление не является основной причиной отказа при типичных рабочих температурах, но тепловое воздействие ускоряет перезакаливание и изменение распределения осадков, что уменьшает ресурс усталости и стойкость к трещинообразованию под напряжением. В сварных конструкциях зоны термического воздействия особенно уязвимы к потере прочности и не должны использоваться для деталей, несущих высокие температуры.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Причина выбора 7175
Авиастроение	Монтажные элементы фюзеляжа, соединения несущих крыльев	Исключительное относительное усилие и усталостная стойкость для основных конструкций
Оборона	Высоконагруженные поковки и крепления оружия	Высокая статическая прочность и вязкость в сложных режимах нагружения
Автомобилестроение	Комплектующие для гоночных шасси (ограниченно)	Соотношение прочности и массы для спортивных и гоночных применений
Судостроение	Конструкционные кронштейны и соединения (защищённые)	Хорошее соотношение прочности и массы при применении коррозионной защиты
Электроника	Конструкционные рамы	Высокий модуль упругости и жесткость для лёгких рам (ограниченно по термическим свойствам)

7175 выбирают приоритетно, когда важны конструктивная эффективность, ресурс усталости и вязкость при высоких статических нагрузках; основное применение — авиация и оборона, где стоимость материала оправдана его эксплуатационными характеристиками. При использовании вне контролируемых условий стандартна практика нанесения защитных покрытий и консервативного проектирования против SCC.

Рекомендации по выбору

Используйте 7175, когда приоритетом являются максимальная прочность и усталостная стойкость при наличии технологий производства и защиты от коррозии, способных компенсировать ограничения при соединении и в агрессивной среде. Для максимальной статической прочности применяйте состояния T6/T651, а при критических требованиях по долговечности и стойкости к трещинообразованию под напряжением — T73 или другие перезакалённые состояния.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (например, 1100), 7175 характеризуется значительно большей прочностью и усталостойкостью, но при этом имеет пониженные электрическую проводимость и пластичность; выбирайте 1100, когда важны проводимость и глубокое штамповочное формование при низких нагрузках. По сравнению с упрочнёнными пластической деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 7175 обеспечивает существенно более высокую прочность, однако обычно хуже поддаётся формовке и потенциально хуже коррозионно-стойкий в хлоридных средах; выбирайте 5052/3003 для деталей с интенсивным формованием или экспонируемых в морской среде, не несущих нагрузку. В сравнении с сплавами 6xxx, поддающимися термообработке, такими как 6061/6063, 7175 обеспечивает более высокие максимальные значения прочности и усталостных характеристик, но при этом стоит дороже и хуже сваривается; отдавайте предпочтение 6061, когда важны сварка, экономичность и умеренная прочность.

Итоговое резюме

7175 остаётся ключевым материалом для высокоэффективных конструкционных применений, где требуются первоклассное соотношение прочности к массе и высокая усталостойкость, а производственные процессы могут учесть ограничения по свариваемости и чувствительностью к коррозии. При правильном выборе состояния термообработки, защите поверхности и внимании к проектированию соединений и концентраций напряжений 7175 обеспечивает сочетание механических свойств, которое сложно превзойти у низколегированных или не поддающихся термообработке алюминиевых сплавов.