Алюминий 771: Состав, свойства, марки прочности и области применения

Полный обзор

Сплав 771 относится к серии 7xxx алюминиевых сплавов, которая представляет собой в основном алюминиево-цинково-магниево(-медные) системы, разработанные для высокой прочности за счёт старения с выделением упрочняющих фаз. Его номинальный химический состав подчёркивает Zn как основной легирующий элемент, дополненный Mg и Cu для стимулирования выделения фаз при термическом старении. Несколько примесей Cr, Zr или Ti используются для уточнения зеренной структуры и контроля рекристаллизации.

Механизм упрочнения для сплава 771 — термообрабатываемое старение с выделением фаз: растворяющий отжиг растворяет легирующие элементы, последующее быстрое закаливание фиксирует пересыщенный твёрдый раствор, а искусственное старение формирует мелкие, дисперсные η (MgZn2) и родственные выделения, повышающие предел текучести и временное сопротивление разрыву. Ключевые характеристики включают высокое соотношение прочность/масса, умеренную до низкой коррозионную стойкость при стандартном старении без покрытия, ограниченную свариваемость в режиме максимальной прочности и сниженные пластичность и свариваемость при комнатной температуре в сравнении со сплавами серий 5xxx и 6xxx.

Типичные отрасли применения сплава 771 включают аэрокосмическую промышленность — высоконагруженные крепления и структурные кованые детали, высокопроизводительный автотранспорт — структурные компоненты и подвеску, морскую сферу — прочные крепления с нанесением защитных покрытий, а также специализированное спортивное оборудование, где критична высокая жёсткость и малый вес. Инженеры выбирают 771, когда проект требует сочетания повышенной статической прочности и усталостной стойкости с приоритетом на снижение массы, принимая при этом компромиссы в области обработки и управления коррозией.

Варианты термообработки

Термообработка	Уровень прочности	Относительное удлинение	Формуемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отожжённый, максимальная пластичность для формовки
T4	Умеренный	Умеренное	Хорошая	Сниженная	Природное старение после закалки; промежуточная прочность
T6	Высокий	Низкое–умеренное	Плохая–удовлетворительная	Низкая	Решающее отжиг + искусственное старение до максимальной прочности
T73	Умеренно–высокий	Повышенное	Удовлетворительная	Низкая	Перезакаленный для улучшения стойкости к SCC и коррозии
T651	Высокий (стабилизированный)	Низкое–умеренное	Плохая–удовлетворительная	Низкая	Снятие остаточных напряжений растяжением после T6
H12 / H14	Умеренный	Низкое–умеренное	Ограниченная	Хорошая	Упрочнённые наклёпом термины для листа с постепенным ростом прочности

Выбор термообработки существенно изменяет механические свойства и технологичность сплава. Твердые состояния типа T6 обеспечивают максимальную статическую прочность и усталостную стойкость, но значительно снижают пластичность и способность к гибке, усложняя механообработку и формовку, а также увеличивают склонность к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Перезакаленные термины (T73 или стабилизированные, например T651) жертвуют частью максимальной прочности ради улучшенной стойкости к коррозии и ударной вязкости; их применяют, когда долговечность в агрессивной среде или устойчивость к SCC важнее абсолютного предела текучести.

Химический состав

Элемент	Диапазон, %	Примечания
Al	Баланс	Основной металл; остаток после легирования
Zn	5.5–7.5	Основное упрочняющее вещество, формирующее выделения MgZn2
Mg	1.6–3.0	Взаимодействует с Zn для ускорения старения; влияет на пластичность
Cu	1.0–2.2	Увеличивает прочность и сопротивление ползучести; может снижать коррозионную стойкость
Cr	0.05–0.25	Контроль структуры зерна и ингибитор рекристаллизации
Ti	0.01–0.15	Мелкозернистое модифицирование в отливках и слитках
Fe	≤0.5	Примесь, образующая интерметаллические фазы; контролируется для снижения хрупкости
Si	≤0.5	Технологическая примесь; ограничена для предупреждения хрупкости
Mn	≤0.3	Минимальное влияние на прочность и коррозионное поведение
Zr / Прочие	0.01–0.25	Опциональные микроэлементы для контроля зерна и термической стабильности

Соотношение Zn–Mg–Cu определяет последовательность выделения фаз и размер/распределение упрочняющих фаз в сплаве 771. Цинк и магний контролируют пиковую прочность через η′/η выделения, в то время как медь уточняет структуру выделений и повышает прочность ценой увеличения чувствительности к локальной коррозии. Трещины такие элементы, как Cr и Zr, выступают в роли ингибиторов рекристаллизации и контролеров нуклеации, что повышает стабильность при термомеханической обработке и помогает сохранить мелкозернистую структуру для улучшенной вязкости.

Механические свойства

Как термообрабатываемый сплав серии 7xxx, 771 демонстрирует широкий диапазон механических характеристик в зависимости от термообработки и толщины. В отожженном состоянии (O) он обладает хорошей пластичностью и формуемостью при относительно низких пределе текучести и временном сопротивлении разрыву, что подходит для интенсивной формовки и операций растяжения. В пиковых состояниях старения (T6/T651) временное сопротивление разрыву и предел текучести значительно возрастают при типичном снижении удлинения и гибкости; зоны термического влияния (ЗТВ) или сварные швы будут размягчены без последующей термообработки после сварки.

Усталостная стойкость сплава 771 в пиковых терминах обычно очень высокая при строгом контроле микроструктуры и сохранении состояния поверхности; однако усталостная прочность чрезвычайно чувствительна к коррозионным рискам и следам механической обработки, которые служат центрами зарождения трещин. Толщина влияет на достигаемые свойства: толстые заготовки сложнее полностью подвергнуть растворяющему отжигу и равномерной закалке, что может снижать эффективную прочность и увеличивать разброс механических характеристик для плит и поковок по сравнению с тонким листом и профилями.

Свойство	O / отожжённый	Ключевой термин (например, T6/T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	240–320 MPa	540–660 MPa	Максимальные прочности, характерные для высокопрочных Al-Zn-Mg-Cu сплавов
Предел текучести	120–210 MPa	470–600 MPa	Значительный рост после термообработки; зависит от толщины сечения
Относительное удлинение	12–20%	6–12%	Пластичность снижается в пиковых состояниях; старые термины (T73) восстанавливают часть пластичности
Твёрдость	60–90 HB	150–210 HB	Твёрдость коррелирует с состоянием выделений и стабильностью термообработки

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	~2.78 г/см³	Типичное значение для высокопрочных алюминиевых сплавов; способствует высокому удельному сопротивлению
Температура плавления	~480–635 °C	Диапазон солидус–ликвидус зависит от легирующих элементов; расширен за счёт примесей
Теплопроводность	120–150 Вт/(м·К)	Ниже, чем у чистого Al из-за легирования; достаточная для многих задач по отводу тепла
Электропроводность	~28–40 % IACS	Снижена по сравнению с чистым алюминием из-за рассеяния на примесях
Удельная теплоёмкость	~0.9 Дж/(г·К)	Около 900 Дж/(кг·К); полезно для тепловых расчётов
Тепловое расширение	~23–24 мкм/(м·К)	Типичное линейное расширение, близкое к другим алюминиевым сплавам

Плотность и теплопроводность делают сплав 771 привлекательным в случаях, когда требуется высокая прочность с умеренной теплопроводностью, например, для лёгких структурных деталей, которые также могут рассеивать тепло. Электропроводность уступает чистому алюминию и сплавам серии 1xxx, поэтому 771 редко выбирают для первичных электрических проводников; его применяют, когда главным критерием является механическая эффективность на единицу массы.

Формы изделий

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение по прочности	Распространённые состояния	Примечания
Лист	0,3–6,0 мм	Возможно производство в состояниях O, T4, T6	O, T4, T6, T73	Листы малой толщины достигают равномерного старения и высокой прочности после T6
Плита	6–200 мм	Прочность может снижаться с увеличением толщины из-за ограничений закалки	O, T6, T651	Толстые плиты требуют контролируемых методов закалки; используются для поковок и конструкционных элементов
Экструзия	Поперечные сечения до 200 мм	Хорошая направленная прочность; свойства зависят от охлаждения	O, T4, T6	Экструзионные профили позволяют создавать сложные сечения с высокой статической жёсткостью
Труба	Толщина стенки 0,5–25 мм	Прочность аналогична листу при термообработке	O, T6	Бесшовные или сварные; толщина стенки влияет на реакцию термообработки
Пруток/штанга	Диаметр 5–200 мм	Характеристики трения и износа зависят от состояния прочности	O, T6	Кованные или прокатанные прутки применяются для высоконагруженных крепежей и фитингов

Технология обработки существенно влияет на микроструктуру и свойства материала; литые и деформируемые формы изделий заметно отличаются по размерам зерна и содержанию включений при поставке. Листы и тонкие экструдаты легче довести до полного растворения и закалки, обеспечивая стабильные свойства T6, тогда как плиты большой толщины и крупные поковки часто требуют специальных приспособлений для закалки, прерывистой закалки или модифицированных состояний для ограничения остаточных напряжений и сохранения вязкости.

Эквивалентные марки

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	771	США	Обозначение, используемое в некоторых каталогах производителей; соответствует высокопрочным сплавам семейства Al-Zn-Mg-Cu
EN AW	—	Европа	Точного одноимённого аналога в списке EN нет; близко к семействам EN AW-7075/7010 с изменённым составом
JIS	—	Япония	Существуют аналогичные высокопрочные Al-Zn-Mg-Cu сплавы, но прямой эквивалент требует сопоставления по составу
GB/T	—	Китай	Местные аналоги найдены в серии Al–Zn–Mg; различия в пределах примесей и состояниях закалки

Прямое сопоставление между национальными стандартами не всегда является точным для брендов с ограниченной распространённостью, таких как 771. Небольшие отличия в допустимом содержании примесей, следовые микро-добавки (например, Zr против Ti) и назначаемые состояния закалки могут влиять на восприимчивость к SCC и вязкость разрушения. Инженерам необходимо сравнивать полные химические составы и условия термообработки, а не полагаться только на условное обозначение при замене материалов между регионами.

Коррозионная стойкость

В атмосферных условиях сплав 771 показывает удовлетворительную коррозионную стойкость при правильном окрашивании, анодировании или дополнительном старении, однако его склонность к локальной коррозии и точечной коррозии выше, чем у алюминиевых марок семейства алюминий-марганец (3xxx) или алюминий-магний (5xxx). Наличие меди и повышенного содержания цинка усиливает электрохимическую активность сплава и концентрирует гальванические потенциалы, из-за чего часто применяются защитные покрытия или клёпаные слои.

В морской среде и агрессивных хлоридсодержащих условиях 771 требует особого внимания: локальные повреждения и коррозионное растрескивание под напряжением (SCC) являются основными причинами отказов, особенно в пиковой фазе старения (T6). Перезакаленные состояния (T73) и защитные поверхностные обработки снижают риск SCC, однако проектировщики часто избегают применять пик T6 при высокой солености, если отсутствует жертвенная защита или катодная защита.

Гальванические взаимодействия с разнородными металлами более агрессивны для 771 по сравнению со слабоактивными алюминиевыми сплавами из-за более высокого потенциала открытой цепи; требуется изоляция от нержавеющей стали и меди, а также тщательное проектирование соединений. В сравнении с 6xxx-серией (например, 6061) 771 обеспечивает более высокую прочность, но обычно уступает в базовой коррозионной стойкости и требует более серьёзных мер защиты при эксплуатации на открытом воздухе.

Свойства изготовления

Свариваемость

Сварка 771 затруднена в состояниях пиковой прочности, так как сварочный шов и зона термического влияния (ЗТВ) обычно теряют упрочняющие осадки и без последующей термообработки не восстанавливают прочность. Приёмлемы методы дуговой сварки (TIG/MIG) с применением специальных присадочных сплавов, однако часто наблюдается размягчение ЗТВ и снижение усталостной выносливости; выбор присадочных материалов направлен на баланс прочности и пластичности, часто с использованием сплавов на основе Al-Mg или Al-Mg-Si для снижения склонности к горячим трещинам. Устойчивость к горячему растрескиванию — критическое требование, поэтому применяются предварительные и последующие термообработки, а также контролируемые циклы нагрева для минимизации остаточных напряжений и потери прочности.

Машиностойкость

Сплав 771 демонстрирует от хорошей до очень хорошей обрабатываемости резанием среди высокопрочных алюминиевых сплавов, часто сопоставим с 7075; обрабатывается чисто при использовании подходящего инструмента и систем охлаждения. Предпочтительно применять твердосплавный инструмент на средних и высоких скоростях резания с положительными углами заострения для формирования короткой, легко контролируемой стружки; подачи оптимизируют для предотвращения вибраций и сохранения качества поверхности и усталостных характеристик. Поверхностные финиши и возникающие при обработке сжимающие напряжения сильно влияют на усталостную прочность, поэтому их контролируют параметрами обработки и дополнительными этапами чистовой обработки.

Формуемость

Формование предпочтительно проводить в состояниях с низкой прочностью (O или T4), в которых достигается наибольшая пластичность; сильная холодная деформация в состоянии T6 не рекомендуется из-за ограниченной вытяжки и высокого риска трещинообразования. Типичные минимальные радиусы гибки в T6 больше, чем у сплавов серии 5xxx, поэтому проектировщикам следует учитывать упругий отпуск и возможность частичного отжига. Для сложных геометрий эффективна тёплая формовка или обработка раствором с последующей контролируемой закалкой и формованием близко к состоянию T4, что позволяет получать детали близкие к конечной форме перед окончательным старением.

Поведение при термообработке

Растворяющая термообработка 771 проводится при температурах, обычно в диапазоне 470–485 °C, с выдержкой достаточной для растворения фаз и гомогенизации микроструктуры. Быстрая закалка с температуры раствора к комнатной температуре или холодной ванне необходима для сохранения пересыщенного твердого раствора; чувствительность к скорости охлаждения растёт с толщиной сечения, и недостаточно быстрая закалка снижает достижимую максимальную прочность.

Искусственное старение для состояния T6 обычно проводят при температуре 120–160 °C в течение нескольких часов для образования тонко-дисперсных осадков η′, что обеспечивает максимальную твёрдость и предел текучести. Перезакалка (T73 или T7x) включает более высокие температуры или длительную выдержку для укрупнения осадков и повышения сопротивления SCC и стабильности размеров за счёт частичного снижения временного сопротивления разрыву.

В эксплуатации или изготовлении, где термообработка невозможна, наклёп даёт незначительный рост прочности для не подвергаемых термическому упрочнению сплавов; так как 771 является термообрабатываемым, холодная обработка применяется в основном для мелких изменений формы, а не для упрочнения. Полный отжиг (состояние O) достигается нагревом выше температуры раствора с последующим контролируемым охлаждением для восстановления пластичности и снятия остаточных напряжений.

Работа при повышенных температурах

Воздействие повышенных температур приводит к снижению прочности из-за укрупнения и растворения упрочняющих осадков; 771 демонстрирует значительное падение предела текучести и временного сопротивления разрыву выше примерно 120–150 °C. Для непрерывной эксплуатации рекомендуемый максимальный температурный режим часто ограничен примерно 100 °C для сохранения механических свойств и предотвращения ускоренного перезакаливания.

Окисление минимально по сравнению с активными металлами, но защитные плёнки и покрытия могут деградировать при повышенных температурах; меры защиты и выбор материала должны учитывать тепловые циклы, которые изменяют остаточные напряжения и поведение ЗТВ после сварки. Ползучесть умеренная; для деталей, работающих под нагрузкой при высоких температурах, целесообразны альтернативные сплавы или проектные допуски.

Области применения

Отрасль	Пример компонента	Причина использования 771
Автомобильная	Легкие рычаги подвески, конструкционные усиления	Высокое отношение прочности к массе снижает неподрессоренную массу и улучшает динамику
Морская	Высокопрочные фитинги и корпуса гоночных судов	После нанесения покрытия обеспечивает высокую прочность при приемлемом весе для скоростных судов
Аэрокосмическая	Фитинги, компоненты шасси, поковки	Высокая прочность на растяжение и усталостная прочность для основных и второстепенных конструкционных частей
Электроника	Теплоотводы и ребра жёсткости	Хорошая теплопроводность в сочетании с конструкционной жёсткостью
Спортивное оборудование	Высокопроизводительные рамы велосипедов, ракетки	Сочетание жёсткости, малого веса и усталостной выносливости для конкурентного оборудования

В заключение, 771 выбирают там, где решающее значение имеют высокая статическая и усталостная прочность на единицу массы, а проблемы коррозионной стойкости и изготовления могут быть решены защитными мерами, специальными технологиями или правильным подбором состояния прочности. Область применения сосредоточена там, где экономия массы напрямую превращается в преимущества по производительности или эффективности.

Выбор материала

Для инженеров, выбирающих материалы, 771 представляет собой конструктивное решение, ориентированное на оптимальное соотношение прочности к весу и высокую усталостную прочность, жертвуя при этом собственной коррозионной стойкостью и простотой сварки. Используйте 771, когда приоритетом являются снижение веса конструкций и высокая статическая прочность, а производство обеспечивает контролируемую термообработку и защиту поверхности.

По сравнению с коммерчески чистым алюминием (1100), 771 обеспечивает значительно более высокую прочность при сниженной электропроводности и пониженной пластичности. По сравнению с упрочненными деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, 771 предлагает существенное повышение предела текучести и усталостной прочности, но требует более тщательной антикоррозионной защиты и обладает меньшей пластичностью. По сравнению с распространёнными термоупрочняемыми сплавами, например 6061 или 6063, 771 обеспечивает более высокую максимальную прочность для конструкционных применений; выбирайте 771, когда требуется дополнительная прочность и когда конструкция может учесть более строгие требования к сварке и антикоррозионной защите.

Рекомендуется применять консервативный подход к сварным соединениям, выбирать переработанные упрочненные состояния для агрессивных коррозионных сред и подтверждать характеристики с помощью испытаний на усталость и напряжённо-коррозионное растрескивание (SCC) для критически важных компонентов; это позволяет сбалансировать высокие механические свойства материала с его чувствительностью к технологическим и эксплуатационным условиям.

Итоговое резюме

Сплав 771 остаётся актуальным там, где ключевыми задачами проектирования являются исключительное соотношение прочности к массе и усталостная прочность, при условии компенсации его ограничений по свариваемости и коррозионной стойкости за счёт выбора упрочнённого состояния, нанесения защитных покрытий и контролируемых технологических процессов. При правильном подборе и обработке 771 позволяет создавать высокоэффективные лёгкие конструкции в авиационной, автомобильной, морской и специализированной спортивной отраслях.