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

Обзор

Сплавы AlZnMgCu относятся к серии 7xxx алюминиевых сплавов, где цинк является основным легирующим элементом, а магний и медь — важными вторичными элементами. Эти сплавы поддаются термообработке и получают прочность в основном за счёт упрочнения за счёт выделений в результате растворной обработки, закалки и искусственного старения. Типичные высокопрочные сплавы этой серии, такие как AA 7075, обеспечивают одни из лучших показателей прочности к весу среди металлических алюминиевых сплавов, при этом уступая в абсолютной коррозионной стойкости и свариваемости по сравнению с более слабыми по прочности сериями. Они широко применяются в авиационно-космической отрасли, оборонном производстве, спортивном оборудовании высокого класса и некоторых конструкционных элементах автомобилей, где критично высокое статическое и усталостное сопротивление.

Основными легирующими элементами в системах Al–Zn–Mg–Cu являются цинк (способствует образованию упрочняющих выделений при старении), магний (образует упрочняющие выделения с цинком) и медь (повышает прочность, но может снижать коррозионную стойкость и увеличивать чувствительность к межкристаллитной коррозии и соответственно — к SCC). Мелкие добавки хрома и циркония используются для измельчения зерна и контроля рекристаллизации, что способствует сохранению прочности после термомеханической обработки. Эти сплавы выбирают вместо серий 6xxx или 5xxx, когда приоритетом являются пиковая прочность и ударная вязкость на единицу массы, а вместо нержавеющих сталей — при необходимости уменьшения веса при сопоставимой жёсткости и усталостной выносливости. Выбор часто обусловлен компромиссом между механическими свойствами (прочностью, жёсткостью, усталостью) и необходимостью применения мер по защите от коррозии, таких как покрытия, клэддинг или повышение степени старения.

Производственные факторы существенно влияют на выбор конкретного сорта и состояния сплава AlZnMgCu. Возможности термической обработки, ассортимент выпускаемых изделий (лист, плита, экструзионные профили) и возможность выполнять последующую обработку после сварки или формовки определяют, сможет ли деталь раскрыть полный потенциал сплава. Сочетание высокой прочности, приемлемой обрабатываемости и совместимости с типовыми методами соединения и отделки алюминия делает сплавы AlZnMgCu практичным выбором для инженерных конструкций с критическим требованием к массоэффективности.

При проектировании также необходимо учитывать условия эксплуатации и жизненный цикл изделия с использованием AlZnMgCu. Стратегии защиты от коррозии, восприимчивость к SCC под растягивающими напряжениями и в определённых состояниях термообработки, а также чувствительность свойств к толщине и термической истории — все эти факторы влияют на выбор материала, технологию изготовления и планы технического обслуживания. В результате получается высокоэффективная группа сплавов, незаменимая при жёстких требованиях по снижению массы и обеспечении надлежащих мер против коррозии и свариваемости.

Варианты состояния

Состояние	Уровень прочности	Относительное удлинение	Обрабатываемость	Свариваемость	Примечания
O	Низкий	Высокое	Отличная	Отличная	Полностью отжиг, максимальная пластичность и формуемость
T4	Низкий–Средний	Среднее	Хорошая	Хорошая	Растворное состояние с естественным старением; промежуточное состояние
T6	Высокий	Низкое–Среднее	Средняя	Плохая–Средняя	Растворное состояние с искусственным старением для достижения максимальной прочности
T73 / T76	Средне–Высокий	Среднее	Улучшенная	Лучше, чем у T6	Перестаренные состояния для повышения стойкости к SCC и вязкости
T651	Высокий	Низкое–Среднее	Средняя	Плохая–Средняя	T6 с релаксацией внутреннних напряжений растяжением или сжатием
H112 / H116	Переменная	Переменное	Переменная	Переменная	Коммерчески контролируемые состояния с частичным регулированием свойств
H14	Средний	Низкое	Средняя	Плохая–Средняя	Упрочнение деформацией и частичный отжиг; применяется для профилей и листов

Состояние термообработки оказывает решающее влияние на механические свойства, коррозионную стойкость и формуемость сплавов AlZnMgCu. Пиковое старение, как в состоянии T6, обеспечивает максимальные значения временного сопротивления разрыву и предела текучести, но значительно снижает пластичность и усложняет операции формовки и сварки без последующего восстановления специальных свойств.

Перестаривание до состояний T73/T76 снижает вероятность SCC и улучшает сопротивление слоистому и межзеренному разрушению, но сопровождается заметным снижением предела текучести и временного сопротивления разрыву. Выбор состояния термообработки является компромиссом между требуемой максимальной прочностью и долговечностью в агрессивной среде.

Химический состав

Элемент	Диапазон содержания, %	Примечания
Si	≤ 0.40	Примесь; повышает текучесть расплава при литье, может образовывать интерметаллические соединения, снижающие вязкость
Fe	≤ 0.50	Примесь; образует хрупкие интерметаллические фазы, уменьшающие пластичность и коррозионную стойкость
Mn	≤ 0.30	Мелкий структурный модификатор; ограничен в серии 7xxx для избежания вредных интерметаллидов
Mg	1.5 – 3.0	Укрепляющий элемент; образует выделения MgZn2 с цинком при старении
Cu	0.5 – 2.5	Повышает прочность и вязкость, но увеличивает подверженность коррозии и SCC
Zn	3.5 – 8.0	Основной упрочняющий элемент; увеличение Zn повышает пиковую прочность за счёт выделений
Cr	0.04 – 0.35	Контролирует рекристаллизацию и структуру зерна, улучшает вязкость и сопротивление росту зерен
Ti	≤ 0.20	Измельчитель зерна при затвердевании и термомеханической обработке
Прочие	Остальное Al + следы	Следовые добавки и остатки (например, Zr) используются для контроля зеренной структуры и текстуры

Химический состав сплава Al–Zn–Mg–Cu оптимизирован для стимулирования образования мелких зон ГП и выделений MgZn2 (η′/η) при старении, являющихся основными упрочняющими факторами. Медь изменяет последовательность выделений, способствуя повышению максимальной прочности и вязкости, однако также влияет на электрохимическое поведение и повышает риск локальной коррозии и SCC, если это не компенсируется выбором термообработки или клэддингом.

Микролегирующие добавки хрома и циркония служат для закрепления границ зерен и контроля рекристаллизации в процессе горячей обработки и циклов термообработки. Контроль содержания примесей, таких как железо и кремний, крайне важен, поскольку их интерметаллические фазы являются очагами инициации трещин и локальной коррозии, особенно в высокопрочных состояниях.

Механические свойства

Сплавы AlZnMgCu демонстрируют широкий диапазон механических характеристик в зависимости от состояния термообработки, формы изделия и толщины. В пиково-старенном состоянии T6 эти сплавы показывают высокие значения временного сопротивления разрыву и предела текучести, при этом удлинение составляет обычно от единиц до низких двузначных процентов. В отожженном или растворном состояниях тот же сплав имеет значительно большую пластичность и меньший предел текучести, что позволяет выполнять операции формовки, невозможные в состоянии T6.

Усталостные характеристики обычно превосходны при контролируемой структуре зерна и минимальном количестве поверхностных дефектов, что выгодно при циклических нагрузках. Однако усталостная долговечность и ударная вязкость чувствительны к остаточным растягивающим напряжениям и неоднородностям микроструктуры; перестаривание (T73/T76) может повысить сопротивляемость росту усталостных трещин за счёт снижения статической прочности. Влияние толщины выражено сильно: более толстые участки часто имеют пониженную прочность из-за замедленной скорости охлаждения и более крупного распределения выделений, что требует применения технологических мер, таких как замедлители охлаждения или адаптированные циклы старения.

Твёрдость соответствует поведению прочности: пиково-старенные состояния имеют значительно более высокие значения твёрдости, чем отожжённые или естественно старенные. Тепловое воздействие при сварке или локальной высокотемпературной обработке приводит к образованию зон нагрева (HAZ) с растворением или коалесценцией упрочняющих выделений, что снижает локальный предел текучести и усталостную прочность, и часто требует последующей термообработки или специальных конструктивных мер.

Свойство	O/Отожжённое	Основной твердость (например, T6/T651)	Примечания
Временное сопротивление разрыву	250 – 350 MPa	480 – 620 MPa	Широкий диапазон зависит от варианта сплава и толщины; T6 близко к максимальным значениям
Предел текучести	120 – 300 MPa	410 – 540 MPa	Предел текучести значительно повышается при старении; соотношение текучесть/временное сопротивление меняется в зависимости от твердости
Относительное удлинение	12 – 20%	5 – 15%	Пластичность снижается при пиковой выдержке; формуемость легче в состояниях O/T4
Твёрдость	60 – 95 HB	135 – 165 HB	Твердость соответствует плотности выделений и степени упрочнения; измерения зависят от масштаба

Физические свойства

Свойство	Значение	Примечания
Плотность	2.78 – 2.82 г/см³	Несколько ниже, чем у стали; отличная эффективность по массе для конструкционных деталей
Интервал плавления	~480 – 635 °C	Интервал твердофазного и жидкофазного переходов зависит от содержания цинка и меди; не рекомендуется эксплуатация при температурах, близких к эвтектическому плавлению
Теплопроводность	120 – 160 Вт/м·К	Ниже, чем у чистого алюминия, но всё ещё выше по сравнению со сталями; благоприятна для тепловых схем
Электропроводность	20 – 35 % IACS	Уменьшена по сравнению с чистым алюминием из-за легирования; толщина и твердость оказывают небольшой эффект
Удельная теплоёмкость	~870 – 910 Дж/кг·К	Приблизительное значение около комнатной температуры для расчёта тепловой массы
Коэффициент теплового расширения	23–24 мкм/м·К (20–100 °C)	Типичное расширение алюминия; важно учитывать при проектировании соединений из разных материалов

Сплавы AlZnMgCu сохраняют многие благоприятные физические характеристики алюминия, в частности низкую плотность и относительно высокую теплопроводность по сравнению с черными металлами. Эти свойства делают их привлекательными для применения, где требуется тепловое управление и лёгкие конструктивные элементы, однако при проектировании электрических систем нужно учитывать пониженную электропроводность относительно чистого алюминия.

Термическая стабильность и характеристики плавления накладывают практические ограничения на температурные нагрузки при обработке и эксплуатации. Микроструктура, упрочнённая за счет выделений, чувствительна к температуре: длительное воздействие выше примерно одной трети – половины температуры плавления (в абсолютной шкале) приводит к размягчению и потере прочностных характеристик, что особенно важно при сварке, пайке и высокотемпературной эксплуатации.

Формы выпуска продукции

Форма	Типичная толщина/размер	Поведение прочности	Распространённые состояния упрочнения	Примечания
Лист	0.4 – 6.0 мм	Требуется хороший контроль свойств по толщине для толстых листов	T6, T651, T73	Общепринято для конструктивных обшивок и панелей; чувствительность к закалке влияет на толстые участки
Плита	6 – 200 мм	Прочность может снижаться с увеличением толщины из-за замедленного охлаждения	T6, T651, T73	Толстые плиты требуют контролируемого охлаждения и термообработки для сохранения свойств
Экструзия	Сложные профили, разные толщины стенок	Микроструктура экструдированных деталей выигрывает от последующего старения	T6, T73, H112	Используется для высокопрочных конструкционных профилей и фитингов
Труба	тонкостенная до толстостенной	Сварка и формовка влияют на локальные свойства; высокая давлениеспособность в T6	T6, T73	Теплообменники и конструкционные трубы, где важны прочность и масса
Пруток/Штанга	диаметры до нескольких сотен мм	Хорошая обрабатываемость; крупные сечения требуют термической обработки	T6, O, T73	Применяется для поковок, механически обработанных деталей и авиакосмических фитингов

Технологические маршруты различаются в зависимости от формы изделия: листы и плиты обычно проходят растворяющую термообработку в производственных масштабах с последующей закалкой и старением, в то время как экструдированные профили требуют точного контроля скорости охлаждения и иногда прямого старения для достижения нужного баланса свойств. Толщина плиты и закаливаемость являются критичными параметрами; при необходимости максимальной однородности твердости могут применяться тонкие сечения или процессы гомогенизации после термообработки.

Область применения влияет на выбор формы и состояния упрочнения; например, конструкционные обшивки авиационной техники используют прокатный лист в состояниях T6/T651 с покрытием для защиты от коррозии, тогда как морские конструкции часто применяют перевыдержанные состояния и защитные поверхности. Запас на механи­ческую обработку и контроль деформаций также зависят от формы изделия и закалки.

Аналоги по стандартам

Стандарт	Марка	Регион	Примечания
AA	7075 / AlZnMgCu	США	7075 — наиболее распространённый коммерческий представитель сплавов Al–Zn–Mg–Cu высокой прочности
EN AW	7075	Европа	EN AW-7075 соответствует европейской системе нумерации; аналогичный химический состав и состояния упрочнения
JIS	A7075	Япония	Японское обозначение семейства 7075 с региональными допусками обработки
GB/T	7075	Китай	Китайский стандарт охватывает аналоги 7075 и спецификации термообработки

Умеренные различия между стандартами обусловлены допусками по примесям, точными границами состава и допустимыми диапазонами механических свойств для каждого состояния упрочнения. Для критичных авиационных или элементов жизнеобеспечения закупочные спецификации ссылаются на конкретный стандарт и твердость с указанными требованиями к испытаниям и сертификации для обеспечения взаимозаменяемости и воспроизводимого качества.

Региональные особенности термообработки и допускаемые состояния упрочнения (например, обозначения T651, T6511, T73) влияют на контроль остаточных напряжений и целевые значения удлинения даже для сплавов с номинально одинаковым составом. Всегда сверяйте обозначения в чертежах с сертификатами производителя и протоколами испытаний.

Коррозионная стойкость

Сплавы AlZnMgCu показывают умеренную стойкость к общей атмосферной коррозии, однако более подвержены локальной коррозии (точечное и слоистое разрушение) и коррозионному растрескиванию под напряжением по сравнению со сплавами серии 5xxx и некоторыми сплавами серии 6xxx. Наличие меди и высокий коэффициент Zn:Mg способствуют увеличению электрохимической неоднородности и стимулируют локальные повреждения при контакте с хлоридсодержащей средой, что требует применения защитных покрытий, клэдинга (Alclad) или жертвенных анодных мер в морских и прибрежных средах. Перевыдержка в состояния T73/T76 или клэдирование слоями высокочистого алюминия значительно повышают стойкость к слоистому разрушению и коррозионному растрескиванию, но снижают максимальную прочность.

Эксплуатация в морской среде требует тщательных мер противодействия: в морской воде и зоне брызг необерегаемые высокопрочные сплавы AlZnMgCu быстро теряют эксплуатационные характеристики из-за точечной коррозии и растрескивания под напряжением при наличии растягивающих нагрузок. При проектировании применяются жертвенные покрытия, катодная защита, выбор перевыдержанных состояний и избегание конструкций с образованием зазоров. Крепёж и сборочные узлы обычно изолируются от металлов с разным потенциалом или используют коррозионно-стойкую фурнитуру для предотвращения гальванического поражения алюминия.

Коррозионное растрескивание под напряжением является типовой причиной отказа высокопрочных состояний при длительном растяжении в агрессивных хлоридных средах. Подверженность можно снизить снижением предела текучести (перевыдержка), нанесением поверхностных сжатых напряжений (шароструйная обработка) или изменением химического состава сплава. По сравнению со сплавами серии 6xxx (например, 6061) 7xxx обладают более высокой прочностью, но требуют более строгого контроля окружающей среды и проектных мер для предотвращения отказов из-за SCC.

Свойства обработки

Свариваемость

Сварка сплавов AlZnMgCu в пиковой закалке затруднительна, поскольку тепловой ввод растворяет или коагулирует упрочнительные выделения, формируя размягчённую термически обработанную зону со значительно пониженным пределом текучести и усталостной прочностью. Методы плавления, такие как TIG и MIG, применимы для ремонта и изготовления, но металл шва и зона термического влияния обычно существенно слабее основного материала в состоянии T6, если не выполняется последующая растворяющая термообработка и старение, что часто невозможно для собранных конструкций. В качестве присадочных материалов обычно используют 5356 или 4043; при этом 5356 (Al–Mg) обеспечивает лучшую прочность, а специальные присадки для 7xxx позволяют минимизировать гальваническую совместимость и различия в прочности. При сварке сплавов с высоким содержанием цинка существует риск горячих трещин, поэтому подготовка к сварке, конструкция соединений и контроль теплового ввода крайне важны.

Обрабатываемость

Обрабатываемость AlZnMgCu, как правило, хорошая по сравнению со сталями, с предсказуемой стружкообразностью и невысокими температурами резания, однако высокая прочность и твёрдость упрочнённых состояний увеличивают износ инструмента по сравнению с мягкими алюминиевыми сплавами. Предпочтительно использование карбидного инструмента с острой геометрией и положительными углами заострения для оптимального удаления стружки и снижения нарастания кромки; скорости резания выше, чем для сталей, но их нужно ограничивать чтобы избежать перегрева и изменения локального состояния упрочнения. Для деталей с высокими требованиями к точности и стабильности размеров в авиационной отрасли необходимо предусматривать мероприятия по снятию внутренних напряжений и контролю деформаций при механической обработке и последующем финишировании.

Формуемость

Холодная деформация наиболее эффективна для углов и состояний термообработки O, T4 или частично отожжённых, когда пластичность достаточна для операций гибки и глубокого вытяжки; состояния T6 и H14 менее формуемы и более склонны к трещинам при сильных изгибах. Минимальные радиусы гиба зависят от состояния и толщины; консервативной рекомендацией для листов в состоянии T6 является минимальный внутренний радиус гиба 1–2× толщины, в то время как для более мягких состояний допускаются радиусы, близкие к 1× толщины или даже меньше, в зависимости от инструмента и прижимов заготовки. При необходимости получения сложных форм рекомендуется формовать в более мягких состояниях с последующей контролируемой термообработкой для восстановления прочности или проектировать детали с отбортовкой и поэтапной формовкой, чтобы избежать разрушения заготовки.

Поведение при термообработке

Сплавы AlZnMgCu являются классическими упрочняемыми термообработкой сплавами; основные этапы термической обработки включают растворяющий отжиг, закалку и искусственное старение. Растворяющий отжиг обычно проводится при температуре около 470–480 °C для растворения растворимых компонентов Zn и Mg в пересыщенном твёрдом растворе, после чего следует быстрая закалка (водяная или полимерная), сохраняющая это пересыщение. Искусственное старение (T6) выполняется при температуре примерно 120–160 °C в течение определённого времени для выделения мелких фаз η′ и зон типа GP, обеспечивающих максимальную твёрдость и прочность.

Естественное старение (T4) обеспечивает промежуточную прочность и является отправной точкой для некоторых производственных последовательностей, тогда как переизбыточное старение (T7/T73/T76) целенаправленно увеличивает размер выделений для снижения восприимчивости к коррозионному растрескиванию под напряжением, улучшения вязкости разрушения и стабильности размеров. Обозначение T651 указывает на состояние T6 с контролируемым снятием напряжений (растягивающей или сжимающей обработкой) после закалки, что уменьшает искажения для прецизионных деталей. Контроль скорости закалки крайне важен; толстые секции, закаливающиеся медленно, могут не достичь необходимого пересыщения и, соответственно, иметь более низкие пределы прочности.

В состоянии H (где высокая прочность достигается простым наклёпом) упрочнение происходит за счёт деформационного наклёпа; однако высокопрочная группа AlZnMgCu обычно проектируется с опорой на термообработку, а не на упрочнение деформацией для достижения прочности. Отжиг восстанавливает пластичность за счёт рекристаллизации и растворения упрочняющих фаз, что позволяет выполнять операции формовки перед повторным старением.

Работа при повышенных температурах

Прочность сплавов AlZnMgCu быстро снижается с повышением температуры; значительное уменьшение прочности наблюдается при температурах выше примерно 100 °C, а эксплуатация в несущих конструкциях при температурах выше 150 °C обычно ограничена. Упрочняющие выделения коагулируют или растворяются при высоких температурах, что ведет к размягчению материала и снижению предела текучести и сопротивления усталости. Окисление алюминия при умеренных температурах минимально по сравнению с сталями, однако защитные оксидные плёнки не препятствуют микроструктурному коагулированию.

Для сварных компонентов основным фактором является поведение зоны термического влияния (ЗТВ) при повышенных температурах: локальное переизбыточное старение или растворение выделений приводит к стойким зонам размягчения, которые могут быть причиной отказов при циклических нагрузках высокого теплового режима или ползучести. При проектировании на повышенные температуры необходим подбор более термостойких сплавов или применение тепловых барьеров и частых инспекций.

Применение

Отрасль	Пример компонента	Причина использования AlZnMgCu
Авиакосмическая	Обшивки крыльев, рамы фюзеляжа, крепеж	Исключительное соотношение прочности к массе и высокая вязкость разрушения в конструктивных элементах
Судостроение	Высокопрочные корпусные крепления, мачты	Высокая статическая прочность с мерами по снижению коррозии; критично экономия массы
Автомобильная	Высокопроизводительные шасси и подвеска	Снижение массы и повышение жёсткости для улучшения динамики автомобиля
Оборона	Корпуса брони, корпуса ракет	Высокопрочные и легкие решения для оптимизации полезной нагрузки
Спорт и отдых	Велосипедные рамы премиум-класса, альпинистское снаряжение	Высокое удельное сопротивление и усталостная стойкость для спортивного оборудования

Сплавы AlZnMgCu остаются предпочтительным материалом там, где проектная задача направлена на максимальную структурную эффективность по массе и где обеспечивается контролируемое производство и меры по снижению коррозии. Эта группа сплавов используется в критически важных компонентах во многих отраслях, где управляющими требованиями являются статические и усталостные нагрузки.

Рекомендации по выбору

При выборе AlZnMgCu для компонента отдавайте предпочтение этому материалу, если основными требованиями являются высокая прочность при низкой массе и усталостная стойкость, а производственный процесс позволяет применять термообработку и защиту от коррозии. Если приоритетом являются максимальная пластичность, электропроводность и простая сварка, то коммерчески чистый алюминий (например, 1100) превзойдёт AlZnMgCu по этим показателям, но за счёт меньшей конструкционной прочности.

По сравнению с упрочняемыми деформацией сплавами, такими как 3003 или 5052, AlZnMgCu обеспечивает значительно более высокую статическую и усталостную прочность, но обычно требует более надёжной коррозионной защиты и имеет меньшую формуемость в состояниях максимальной прочности. В сравнении с распространёнными термически упрочняемыми сплавами, такими как 6061 или 6063, AlZnMgCu, как правило, обеспечивает более высокую максимальную прочность и часто лучшую усталостную стойкость, но может быть дороже, хуже сваривается без последующей обработки и более чувствителен к коррозионному растрескиванию без переизбыточного старения или защитных мер.

Используйте AlZnMgCu, когда срок службы под циклическими нагрузками, жёсткость на массу и минимизация веса деталей важнее увеличения затрат на отделку и антикоррозионные мероприятия. Для агрессивных условий выбирайте переизбыточно старенные или покрытые варианты, а состояния максимальной прочности оставляйте для деталей с контролируемым или ограниченным коррозионным воздействием в эксплуатации.

Заключение

Сплавы AlZnMgCu сочетают одни из самых высоких значений прочности и благоприятных усталостных характеристик среди деформируемых алюминиевых сплавов, что делает их незаменимыми для инженерных решений с критичной массой и высокой производительностью. Ответственное использование требует внимания к выбору состояния, мерам по борьбе с коррозией и контролю производства для достижения максимальной эффективности без ущерба долговечности в эксплуатации.