Nhôm 7056: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn trạng thái luyện kim & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

7056 là hợp kim nhôm có độ bền cao thuộc dòng 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu), được thiết kế cho các ứng dụng yêu cầu độ bền tĩnh và mỏi rất cao kết hợp với độ dai đạt chuẩn ngành hàng không vũ trụ. Các nguyên tố chính làm cứng hợp kim là kẽm và magiê, kèm theo lượng đồng đáng kể và các vi hợp kim vi lượng như crom, zirconium và titan để kiểm soát cấu trúc hạt và sự tái kết tinh.

7056 là hợp kim có thể xử lý nhiệt, đạt được tính chất cơ học nhờ quá trình xử lý dung dịch, tôi nhanh và tôi luyện lão hóa kết tủa; hợp kim cũng có thể được lão hóa quá mức để cải thiện độ dai vỡ và khả năng chống ăn mòn ứng suất. Những đặc điểm chính bao gồm tỷ lệ độ bền trên trọng lượng rất cao, khả năng hàn nội tại tương đối kém hơn so với hợp kim dòng 5xxx và 6xxx, khả năng tạo hình ở nhiệt độ phòng hạn chế ở các trạng thái lão hóa đạt đỉnh, và khả năng chống ăn mòn trung bình có thể được cải thiện đáng kể qua việc chọn trạng thái tôi luyện và các phương pháp xử lý bề mặt.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 7056 là hàng không vũ trụ (rèn kết cấu, phụ kiện, và chi tiết cơ cấu hạ cánh), đua xe hiệu suất cao và thiết bị quốc phòng nơi yêu cầu độ bền tĩnh và mỏi cao. Hợp kim được ưu tiên hơn các mác khác khi cần độ bền tối đa và hiệu suất mỏi cao trong khi vẫn giữ trọng lượng chi tiết thấp, đặc biệt khi có thể sử dụng các phương pháp liên kết cơ khí hoặc quy trình chế tạo kiểm soát được.

Kỹ sư thường chọn 7056 thay vì các hợp kim dòng 7xxx khác khi cần cân bằng cụ thể giữa độ dai và độ bền tối đa, hoặc khi dùng vi hợp kim mịn hạt (chẳng hạn Zr/Ti) cùng các phương pháp lão hóa tùy chỉnh để giảm hiện tượng nứt ăn mòn ứng suất trong khi giữ được giới hạn chảy và giới hạn bền kéo cao.

Các trạng thái tôi luyện

Trạng thái	Cấp độ bền	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn ủ mềm, dẻo dai tối đa cho quá trình tạo hình
H12 / H14	Thấp–Trung bình	Trung bình–Cao	Đạt	Đạt	Gia công biến dạng nhẹ để định hình với mức bền nhất định
T5	Trung bình	Trung bình	Hạn chế	Kém–Đạt	Làm nguội từ nhiệt độ cao và lão hóa nhân tạo
T6	Cao	Thấp–Trung bình	Hạn chế	Kém	Lão hóa đạt đỉnh để tối đa hóa độ bền; trạng thái tôi luyện phổ biến cho kết cấu
T651	Cao	Thấp–Trung bình	Hạn chế	Kém	T6 kèm thao tác nắn thẳng (giảm ứng suất); thường dùng trong hàng không
T76 / T7451	Trung bình–Cao	Trung bình	Cải thiện	Kém–Đạt	Các trạng thái lão hóa quá mức để tăng khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và độ dai
Hxxx (gia công nguội)	Thay đổi	Thay đổi	Trung bình	Đạt	Kết hợp các trạng thái để điều chỉnh độ bền và khả năng tạo hình

Trạng thái tôi luyện quyết định lớn đến hiệu suất 7056: tấm và cuộn ở trạng thái ủ mềm (O) có khả năng tạo hình tốt nhất và dễ gia công nhất, trong khi T6/T651 cung cấp độ bền tĩnh tối đa nhưng đánh đổi bằng độ dẻo dai và khả năng uốn. Các trạng thái lão hóa quá mức như T76/T7451 giảm một phần độ bền tối đa để đổi lấy khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và độ dai vỡ cải thiện đáng kể, điều này cực kỳ quan trọng cho các chi tiết hàng không đòi hỏi an toàn cao.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.40	Tạp chất phổ biến; Si quá mức có thể ảnh hưởng đến quá trình nóng chảy
Fe	≤ 0.50	Tạp chất tạo intermetallic; kiểm soát để hạn chế giòn
Cu	1.4–2.4	Tăng cường độ bền và khả năng thấm cứng; ảnh hưởng đến tính chống ăn mòn
Mn	≤ 0.10	Vi lượng, kiểm soát tái kết tinh khi có mặt
Mg	2.0–2.8	Nguyên tố làm cứng chính qua kết tủa MgZn2
Zn	7.0–8.8	Yếu tố chính tạo độ bền; Zn cao tăng khả năng thấm cứng
Cr	0.04–0.20	Kiểm soát cấu trúc hạt và giảm sự tái kết tinh
Ti	0.05–0.20	Chất tinh chỉnh hạt cho rèn và đúc
Zr / Các vi hợp kim khác	0.05–0.25	Zr và các nguyên tố tương tự tạo kết tủa phân tán để hạn chế tăng trưởng hạt
Khác / Dư lượng	≤ 0.15 mỗi loại	Bao gồm các nguyên tố vi lượng và dư lượng không xác định; cân bằng là Al

Sự kết hợp cao giữa Zn và Mg tạo ra các kết tủa loại MgZn2 chịu trách nhiệm cho độ bền đạt đỉnh sau quá trình lão hóa nhân tạo. Đồng làm tăng độ bền và độ dai vỡ nhưng có thể giảm khả năng chống ăn mòn; do đó, lượng Cu và Zn được cân bằng và các vi hợp kim (Zr/Cr/Ti) được thêm vào để tạo cấu trúc hạt mịn, ổn định và kiểm soát sự tái kết tinh trong quá trình gia công nhiệt – cơ.

Tính chất cơ học

7056 có dải rộng về giới hạn bền kéo và giới hạn chảy tùy thuộc vào trạng thái tôi luyện và dạng sản phẩm; các trạng thái đạt đỉnh lão hóa (T6/T651) nằm trong nhóm cao nhất trong các hợp kim nhôm và cung cấp độ bền tĩnh xuất sắc nhưng đánh đổi bằng độ dẻo dai và khả năng uốn. Giới hạn chảy ở các trạng thái kiểu T6 có thể đạt hoặc vượt các hợp kim 7xxx khác có độ bền cao, tuy nhiên giới hạn bền kéo và giới hạn chảy giảm khi độ dày tiết diện tăng do nhạy cảm với tốc độ làm nguội.

Độ dãn dài khi đứt cao hơn nhiều ở trạng thái ủ mềm và giảm dần khi độ bền tăng lên; độ dãn điển hình ở trạng thái T6 đủ cho gia công và tạo hình nhẹ nhưng không phù hợp với tạo hình nguội nghiêm trọng. Độ cứng liên quan chặt chẽ với trạng thái lão hóa và hữu ích để kiểm soát chất lượng; độ bền mỏi tốt cho chi tiết rèn và tiết diện dày nhưng nhạy cảm với điều kiện bề mặt và sự đồng nhất của xử lý nhiệt.

Tác động của độ dày rất rõ rệt với 7056 vì khả năng đạt tuổi đạt đỉnh trong quá trình làm nguội và lão hóa giảm khi tiết diện dày lên; nhà thiết kế phải tính đến tính chất giảm ở các chi tiết rèn và tấm dày hoặc sử dụng các phương pháp xử lý nhiệt và biến thể hợp kim điều chỉnh để bù đắp.

Tính chất	O/Ủ mềm	Trạng thái chính (ví dụ T6/T651)	Ghi chú
Giới hạn bền kéo	220–300 MPa (thường gặp)	540–640 MPa (thường gặp)	Dải rộng tùy trạng thái, độ dày và tuổi
Giới hạn chảy	110–200 MPa (thường gặp)	470–560 MPa (thường gặp)	Giới hạn chảy phụ thuộc lớn vào làm nguội và trạng thái
Độ dãn dài	18–28%	6–12%	Trạng thái lão hóa đỉnh giảm độ dẻo
Độ cứng (HV)	60–90	150–200	Độ cứng Vickers tỷ lệ với tính chất kéo

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2.78 g/cm³	Điển hình cho các hợp kim Al-Zn-Mg-Cu có độ bền cao
Phạm vi nhiệt độ chảy	~500–635 °C (từ điểm rắn tới điểm lỏng xấp xỉ)	Phạm vi nóng chảy phụ thuộc thành phần chính xác và tạp chất
Độ dẫn nhiệt	~120–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng đủ cho nhiều ứng dụng nhiệt
Độ dẫn điện	~30–45% IACS	Giảm so với các hợp kim nhôm tinh khiết do các nguyên tố hợp kim
Nhiệt dung riêng	~880–910 J/kg·K	Gần với các hợp kim nhôm phổ biến ở nhiệt độ môi trường
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24 µm/m·K	Hệ số giãn nở tuyến tính điển hình cho hợp kim nhôm ở nhiệt độ phòng

Các hằng số vật lý phản ánh sự cân bằng giữa độ dẫn kim loại và thành phần hợp kim; độ dẫn nhiệt và điện bị giảm bởi lượng Zn/Mg/Cu đáng kể so với các hợp kim 1xxx. Nhà thiết kế nên mong đợi hợp kim này có tính chất nhiệt tương tự các hợp kim dòng 7xxx với khả năng tản nhiệt nhanh nhưng độ dẫn điện giảm khi sử dụng trong các ứng dụng điện tần số cao.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Thông Thường	Đặc Tính Cơ Lý	Độ Cứng Thông Dụng	Ghi Chú
Tấm	0.5–6 mm	Độ bền giảm khi độ dày tăng	O, T6, T76	Sử dụng cho vỏ máy bay và bảng điều khiển chính xác; khả năng tạo hình hạn chế ở tuổi cao điểm
Phiến	6–200+ mm	Đặc tính thay đổi theo độ dày	T6, T651, T76	Tấm dày yêu cầu tôi luyện kiểm soát; tiết diện lớn có thể giảm đặc tính
Ép đùn	Tiết diện thay đổi	Độ bền tương tự phiến cùng độ cứng	T6, T651	Ép đùn phức tạp khả thi nhưng cần kiểm soát trực tiếp tuổi cẩn thận
Ống	ĐK ngoài 10–300 mm	Độ bền phụ thuộc vào độ dày thành ống	T6, T76	Dùng cho ống kết cấu yêu cầu hiệu suất chống mỏi
Thanh	ĐK 5–200 mm	Dễ gia công ở độ cứng O; độ bền cao ở T6	O, T6	Thanh rèn thường được xử lý nhiệt cho chi tiết quan trọng

Quy trình tạo hình và gia công quyết định đặc tính đạt được: chi tiết tấm mỏng có thể xử lý nhiệt nhanh để đạt tuổi gần đỉnh, trong khi phiến dày và chi tiết rèn nhạy cảm với tôi luyện và thường cần chu trình tuổi điều chỉnh. Ép đùn và rèn được lợi từ hợp kim vi lượng để kiểm soát hạt và cải thiện đồng nhất cấu trúc ở tiết diện lớn.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Vùng	Ghi Chú
AA	7056	Hoa Kỳ	Chỉ định chính thức theo Aluminum Association
EN AW	AlZn7.5MgCu?*	Châu Âu	Công thức tương đương rộng tồn tại nhưng cần xác minh cho từng độ cứng cụ thể
JIS	A7056 (xấp xỉ)*	Nhật Bản	Bảng danh mục địa phương có thể liệt kê tương đương gần với giới hạn khác nhau
GB/T	Al-Zn-Mg-Cu series (7056-giống)*	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc có hợp kim Zn-Mg-Cu cường độ cao gần tương đương

Các tương đương trực tiếp cho 7056 khá hạn chế do thành phần và quy trình xử lý khác nhau theo tiêu chuẩn; các mục đánh dấu * cho thấy chỉ định địa phương thường gần giống 7056 nhưng có giới hạn nguyên tố vết, hợp kim vi lượng và độ cứng khác nhau. Kỹ sư cần kiểm tra bảng thông số hóa học và cơ học thay vì chỉ dựa vào tên mác khi mua quốc tế.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

7056 có khả năng chống ăn mòn tổng quát vừa phải trong môi trường khí quyển, nhưng giống các hợp kim Zn cao nhóm 7xxx khác, có thể bị ăn mòn pitting và exfoliation trong môi trường clorua ăn mòn mạnh nếu không xử lý bề mặt. Độ cứng quá lứa (T76/T7451) và việc phủ lớp hoặc anode hóa cải thiện đáng kể khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và phá hủy hạt.

Trong môi trường biển, 7056 nếu không được xử lý bề mặt hay bảo vệ hy sinh thì ít bền hơn hợp kim 5xxx hoặc lớp phủ 6xxx; ăn mòn cục bộ và nứt ăn mòn ứng suất là mối lo chính. Biện pháp chống chịu ở cấp độ ứng dụng gồm phủ bảo vệ, bịt kín tại mối ghép, bảo vệ catốt, và kiểm soát chặt thiết kế tránh khe hở giữ nước mặn.

Nứt ăn mòn ứng suất là cơ chế phá hủy quan trọng với hợp kim 7xxx cường độ cao; hợp kim vi lượng (Zr/Cr) và lựa chọn độ cứng cẩn thận giúp giảm nguy cơ SCC cho 7056, nhưng nhà thiết kế nên áp dụng hệ số an toàn nghiêm ngặt và cân nhắc dùng độ cứng quá lứa cho chi tiết quan trọng. Tương tác điện hóa với vật liệu quý hơn (ví dụ thép không gỉ hoặc titan) thường không thuận lợi với nhôm; cách ly và chọn phụ kiện phù hợp rất quan trọng để tránh ăn mòn tăng tốc.

Đặc Tính Gia Công

Khả Năng Hàn

Việc hàn 7056 thường khá khó khăn; các phương pháp hàn chảy (TIG/MIG) có nguy cơ nứt nóng, rỗ khí và vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị mềm hoá rõ rệt làm giảm độ bền cục bộ đáng kể. Khi phải hàn, thường dùng các hợp kim chảy có hàm lượng Mg cao hơn (ví dụ 5356) hoặc các loại que hàn nhóm 7xxx đặc biệt, nhưng mối hàn thường yếu hơn kim loại cơ bản và cần xử lý nhiệt sau hàn nếu khả thi.

Hàn tia electron và hàn ma sát khuấy được ưu tiên cho ứng dụng quan trọng vì giảm được kích thước HAZ và tránh nứt pha lỏng; tuy nhiên cần kiểm soát quá trình và xử lý nhiệt sau hàn để lấy lại đặc tính cơ học chấp nhận được. Với nhiều ứng dụng hàng không, ghép cơ khí hoặc dán keo được ưu tiên so với hàn.

Khả Năng Gia Công Cơ Khí

7056 có khả năng gia công tương đối tốt ở cả trạng thái ủ mềm và tuổi đỉnh so với các hợp kim cường độ cao khác, nhưng việc chọn dụng cụ và cố định chi tiết phải chắc chắn để tránh hiện tượng kêu cắt và cứng làm việc tại mặt cắt. Khuyến nghị dùng dao cacbua có góc nghiêng dương, làm mát đủ, và tốc độ cắt vừa phải; tốc độ nạp phôi nên điều chỉnh để tạo phoi liên tục và hạn chế nóng chi tiết.

Do 7056 có thể gia công với dung sai chặt, đây là công đoạn hoàn thiện phổ biến trong sản xuất phụ kiện và bulông; việc xử lý tiền tuổi hoặc giảm ứng suất giúp ổn định kích thước trong gia công nặng. Độ hoàn thiện bề mặt và kiểm soát phoi rất quan trọng cho chi tiết chịu tải mỏi cao.

Khả Năng Tạo Hình

Tạo hình tốt nhất ở trạng thái ủ (O) hoặc độ cứng mềm một phần; T6/T651 có khả năng tạo hình nguội hạn chế và đòi hỏi bán kính uốn lớn hơn cũng như kỹ thuật uốn từng phần. Bán kính uốn trong tối thiểu cho tấm mỏng ở tuổi đỉnh thông thường khoảng 3–6 lần độ dày vật liệu, nhưng nhà thiết kế nên kiểm tra với mẫu thực tiễn và tính đến độ hồi đàn hồi cục bộ.

Với các chi tiết dập và biên dạng phức tạp, có thể sử dụng xử lý dung dịch kết hợp tạo hình hoặc tạo hình nóng theo sau bởi tuổi nhân tạo để đạt dạng gần hoàn chỉnh với đặc tính cuối cùng chấp nhận được. Làm lạnh (độ cứng H) cung cấp sự cân bằng giữa độ bền và khả năng tạo hình trung gian cho các chi tiết yêu cầu tạo hình một phần mà không cần ủ hoàn toàn.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

7056 có thể xử lý nhiệt theo quy trình truyền thống: tôi dung dịch, làm nguội nhanh và tuổi nhân tạo. Tôi dung dịch thường thực hiện gần nhiệt độ solvus của hệ Zn/Mg/Cu (khoảng 470–480 °C) để hòa tan các pha giàu tạp chất, tiếp theo là làm nguội nhanh giữ các nguyên tử hòa tan trong dung dịch rắn quá bão hòa.

Tuổi nhân tạo cho điều kiện T6 thường dùng nhiệt độ trung bình (khoảng 120–160 °C) với thời gian điều chỉnh để cân bằng độ bền đỉnh và độ dai; tuổi nhanh hơn cho độ bền cao hơn nhưng cũng tăng nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất. Xử lý quá tuổi (T76/T7451) dùng nhiệt độ cao hơn và/hoặc thời gian lâu hơn để kết tủa to hơn, giảm nhẹ giới hạn chảy và bền kéo nhưng cải thiện đáng kể độ dai và khả năng chống SCC.

Chuyển đổi trạng thái nhiệt T mang tính dự đoán: từ T4 (tuổi tự nhiên) lên T6 (tuổi nhân tạo) tăng độ bền; T73/T76 giảm độ bền đỉnh nhưng cải thiện chống ăn mòn và độ dai. Kiểm soát tốc độ nguội và chu trình tuổi đặc biệt quan trọng với chi tiết dày để tránh sự chênh lệch đặc tính và vùng mềm trong lõi.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

7056 giảm bền nhanh khi nhiệt độ tăng; độ bền tĩnh sử dụng được giảm trên khoảng 100–125 °C và suy giảm rõ ở trên 150 °C. Khả năng chống creep hạn chế so với hợp kim chịu nhiệt, do đó không khuyến cáo dùng lâu dài dưới tải nhiệt cao cho chi tiết chịu lực.

Oxy hóa bề mặt rất ít ở nhiệt độ phục vụ cao phổ biến trong môi trường hàng không, nhưng tiếp xúc lâu dài ở nhiệt độ cao có thể thay đổi phân bố kết tủa và giảm tuổi mỏi. Nhà thiết kế nên giới hạn nhiệt độ phục vụ liên tục và cân nhắc thay thế hợp kim hoặc biện pháp che chắn, quản lý nhiệt giữ nhiệt độ chi tiết trong giới hạn an toàn.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Bộ Phận	Lý Do Sử Dụng 7056
Hàng Không Vũ Trụ	Phụ kiện kết cấu, xương cánh, chi tiết rèn khoen	Đạt tỷ lệ bền trên trọng lượng cao nhất và hiệu suất chống mỏi cho chi tiết quan trọng
Hàng Hải / Quốc Phòng	Vỏ tên lửa và vũ khí, bộ nối cường độ cao	Cường độ riêng cao và độ dai điều chỉnh; hợp kim vi lượng giúp chịu SCC
Đua Xe / Ô Tô	Khung bảo vệ, xà ngang kết cấu (giới hạn)	Chi tiết kết cấu trọng lượng quan trọng, nơi phương pháp hàn/gia công phù hợp
Điện Tử / Quản Lý Nhiệt	Tản nhiệt nhỏ, giá đỡ	Độ dẫn nhiệt tốt kèm độ cứng cao cho chi tiết nhỏ gọn chịu lực

7056 thường được dành cho các chi tiết cần cường độ riêng tối đa và khả năng chống mỏi ưu tiên, và nơi quy trình chế tạo có thể tránh các tác động bất lợi của hàn chảy. Sự kết hợp độ bền cao, độ dai kiểm soát được và các độ cứng có sẵn làm cho nó trở thành vật liệu chủ lực trong các chi tiết an toàn quan trọng của hàng không.

Gợi Ý Lựa Chọn

7056 được lựa chọn khi ưu tiên tỷ số bền/trọng lượng và hiệu suất mỏi hơn là sự tiện lợi trong gia công hoặc chi phí nguyên liệu. So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 7056 đổi lấy độ bền kéo và chảy cao hơn nhiều nhưng giảm độ dẫn điện và khả năng tạo hình; nên dùng 7056 khi hiệu suất kết cấu quan trọng hơn độ dẫn điện và dễ tạo hình.

So với các hợp kim làm cứng khi gia công phổ biến như 3003 hoặc 5052, 7056 có cường độ cao hơn hẳn trong khi vẫn duy trì khả năng chống ăn mòn tương đương hoặc hơi giảm tùy theo trạng thái tôi luyện; lựa chọn 7056 cho các cấu trúc chịu tải mà hợp kim 3xxx/5xxx không đáp ứng được yêu cầu về cường độ. So với các hợp kim xử lý nhiệt được sử dụng rộng rãi như 6061/6063, 7056 cung cấp cường độ cực đại và độ bền mỏi vượt trội, mặc dù có thể đắt hơn và khó hàn hơn; chọn 7056 khi yêu cầu cường độ đặc trưng cao hơn đáng giá việc kiểm soát gia công chặt chẽ hơn và các quá trình liên kết đặc biệt có thể cần thiết.

Khi lựa chọn 7056, cần cân nhắc các đánh đổi: hợp kim này cung cấp độ bền và đặc tính mỏi đạt chuẩn ngành hàng không vũ trụ nhưng đòi hỏi xử lý nhiệt, bảo vệ bề mặt cẩn thận và thường cần các kỹ thuật liên kết thay thế. Xem xét khả năng cung ứng và chi phí cao hơn so với các hợp kim 6xxx và 5xxx, đồng thời kiểm tra ảnh hưởng của trạng thái nhiệt luyện và độ dày đến tính chất cuối cùng trước khi quyết định.

Tóm Tắt Cuối

7056 vẫn giữ vị trí quan trọng vì nó cung cấp một trong những tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao nhất trong các hợp kim nhôm cán, đồng thời cho phép điều chỉnh cấu trúc kim loại để cải thiện độ dai và khả năng chống nứt ứng suất ăn mòn (SCC); điều này làm cho nó lý tưởng cho các chi tiết yêu cầu an toàn cao và nhạy cảm với trọng lượng trong ngành hàng không và quốc phòng. Việc chú ý đúng mức đến lựa chọn trạng thái tôi luyện, xử lý nhiệt và phương pháp gia công sẽ phát huy tối đa hiệu suất của nó đồng thời giảm thiểu các hạn chế điển hình của dòng hợp kim 7xxx.