Nhôm 7071: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

7071 là một trong các hợp kim nhôm thuộc dòng 7xxx, nhóm vật liệu có kẽm làm nguyên tố hợp kim chính, bổ sung magie và đồng để đạt được độ bền rất cao. Giống như các hợp kim 7xxx khác, 7071 chủ yếu là hợp kim nhôm có thể xử lý nhiệt, lấy độ bền từ quá trình xử lý nhiệt dung dịch, tiếp theo là làm nguội nhanh và tôi già nhân tạo để tạo pha kết tủa mịn, phân tán giúp tăng cường độ bền.

Nguyên tố hợp kim chính trong 7071 là kẽm (Zn), magie (Mg) và đồng (Cu), cùng với lượng nhỏ crom (Cr) hoặc zirconium (Zr) nhằm kiểm soát cấu trúc tinh thể và tái kết tinh trong quá trình gia công. Các nguyên tố này kết hợp tạo ra tỉ lệ độ bền trên trọng lượng cao, khả năng chịu mỏi trung bình và độ gia công cơ khí hợp lý, đồng thời thường đánh đổi một phần khả năng tạo hình và tính hàn so với các dòng nhôm mềm hơn.

Các đặc tính nổi bật của 7071 bao gồm giới hạn bền kéo và giới hạn chảy hàng đầu trong các hợp kim nhôm, khả năng chống ăn mòn khí quyển trung bình đến thấp so với dòng 5xxx và 6xxx, và khả năng hàn trực tiếp hạn chế ở trạng thái tôi già đỉnh do vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) bị làm mềm và nguy cơ nứt. Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 7071 bao gồm hàng không vũ trụ, ô tô hiệu suất cao, quốc phòng và đồ thể thao chuyên dụng, nơi yêu cầu độ bền riêng và độ cứng cao.

Kỹ sư thường chọn 7071 thay vì các hợp kim khác khi ứng dụng đòi hỏi độ bền tĩnh và độ cứng cao đi kèm với kiểm soát kích thước chặt chẽ, đồng thời gia công cục bộ hoặc tạo hình tốc độ cao ở mức tối thiểu. Hợp kim này được ưu tiên thay cho thép khi cần tiết kiệm trọng lượng và thay các dòng nhôm độ bền thấp hơn khi yêu cầu ứng suất cho phép cao hơn hoặc tiết diện nhỏ hơn.

Các Biến Thể Tôi Già

Biến Thể	Cấp Độ Bền	Độ Dãn	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Điều kiện ủ mềm hoàn toàn; độ dẻo tối đa cho tạo hình
H14	Trung bình	Trung bình	Tốt	Tốt	Làm cứng khi làm biến dạng; cải thiện giới hạn chảy so với O với khả năng tạo hình nguội hạn chế
T5	Cao	Trung bình	Khá	Hạn chế	Làm nguội sau gia công nóng và tôi già nhân tạo; thường dùng cho các thanh đùn
T6	Rất cao	Thấp – Trung bình	Hạn chế	Kém (tăng nguy cơ nứt)	Phương pháp xử lý nhiệt dung dịch và tôi già nhân tạo đạt đỉnh; độ bền cao nhất trong các điều kiện phổ biến
T651	Rất cao	Thấp – Trung bình	Hạn chế	Kém	T6 có kèm xử lý giảm ứng suất bằng giãn; giữ độ bền cao với ứng suất còn lại thấp hơn
T73	Cao (tôi già quá mức)	Cải thiện	Cải thiện	Tốt hơn T6	Biến thể tôi già quá mức để cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất (SCC) đánh đổi độ bền đỉnh
T76	Trung bình – Cao	Trung bình	Tốt hơn	Tốt hơn	Điều chỉnh quá trình tôi già quá mức để cân bằng độ bền và khả năng chống ăn mòn ứng suất

Biến thể tôi già có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của 7071: xử lý nhiệt dung dịch và tôi già (các biến thể T) kiểm soát kích thước và phân bố các pha kết tủa Zn–Mg–Cu, trực tiếp quyết định giới hạn chảy và bền kéo. Biến thể tôi già quá mức (T73/T76) đánh đổi độ bền đỉnh để cải thiện khả năng chịu nứt ăn mòn ứng suất và độ dai va đập, trong khi biến thể O và H giữ được độ dẻo cần thiết cho các thao tác tạo hình.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Si	0,10 tối đa	Silic ở mức tạp chất; giảm thiểu pha nóng chảy thấp
Fe	0,50 tối đa	Sắt là nguyên tố dư; có thể tạo hợp kim với ảnh hưởng đến độ dai
Mn	0,10 tối đa	Chất lượng nhỏ; kiểm soát cấu trúc tinh thể khi có mặt
Mg	2,0 – 2,8	Yếu tố tăng cường chính cùng Zn; tạo pha MgZn2 kết tủa với Zn
Cu	1,0 – 2,0	Tăng độ bền và độ cứng nhưng có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	5,5 – 7,0	Nguyên tố tăng cường chính trong dòng 7xxx; quan trọng cho quá trình tôi già kết tủa
Cr	0,04 – 0,20	Vi hợp kim kiểm soát tái kết tinh và kích thước hạt
Ti	0,02 – 0,10	Chất làm tinh hạt bổ sung trong đúc hoặc sản phẩm tôi kéo
Khác	Cân bằng Al cộng vết	Gồm các nguyên tố dư (V, Zr) và các vi hợp kim bổ sung có chủ đích

Kẽm và magie tạo pha kết tủa chính (MgZn2) giúp tăng cường độ bền, đồng thời đồng sửa đổi hóa học và động học của pha kết tủa để cải thiện độ bền đỉnh. Crom và các nguyên tố vi lượng giúp cố định ranh giới hạt và ngăn chặn tái kết tinh không kiểm soát trong quá trình gia công nhiệt, cải thiện độ dai va đập và tính ổn định trong quá trình tôi già.

Đặc Tính Cơ Học

Ứng xử kéo của 7071 được đặc trưng bởi giới hạn bền kéo cực cao và giới hạn chảy 0,2% offset tương ứng khi ở biến thể tôi già đỉnh. Hợp kim này có độ giãn đồng đều tương đối thấp ở biến thể T6/T651 và giảm độ dẻo so với các hợp kim nhôm mềm hơn; ở trạng thái ủ mềm và biến thể H, độ giãn cao hơn đáng kể và có thể thực hiện tạo hình. Độ cứng cũng theo mô hình này: thấp ở biến thể O và tăng rõ rệt sau xử lý nhiệt dung dịch và tôi già nhân tạo.

Khả năng chịu mỏi của 7071 tốt với một hợp kim nhôm cường độ cao nhưng rất nhạy cảm với hoàn thiện bề mặt, ứng suất dư và sự xuất hiện của ăn mòn hoặc hư hỏng. Phần tiết diện mỏng có thể tôi già đạt độ cứng cao hơn và đồng đều hơn, tuy nhiên độ dày ảnh hưởng đến tốc độ làm nguội trong xử lý nhiệt dung dịch sẽ ảnh hưởng đến độ bền đạt được và có thể yêu cầu chu trình tôi già sửa đổi cho các tiết diện dày. Tỉ lệ giới hạn chảy trên giới hạn bền thường thấp hơn thép nhưng thuận lợi trong các hợp kim nhôm dùng cho kết cấu.

Chế độ gãy tùy thuộc biến thể và quy trình gia công: các hạt liên kim thô là điểm khởi đầu nứt dưới tải tuần hoàn, trong khi các biến thể tôi già quá mức cải thiện khả năng chống mỏi phát triển vết nứt và chống nứt ăn mòn ứng suất (SCC). Kiểm soát hàm lượng tạp chất, quản lý nghiêm ngặt quy trình xử lý nhiệt và xử lý bề mặt thường được yêu cầu để đạt hiệu suất ổn định lâu dài trong các ứng dụng quan trọng.

Đặc Tính	O/Ủ mềm	Biến Thể Chính (T6/T651)	Ghi Chú
Giới Hạn Bền Kéo	220–280 MPa	540–610 MPa	T6 đạt độ bền kéo đỉnh; phạm vi phụ thuộc độ dày và lịch trình tôi già
Giới Hạn Chảy	95–150 MPa	480–540 MPa	Tăng mạnh sau tôi già; giới hạn chảy phụ thuộc phân bố pha kết tủa
Độ Dãn	12–20%	6–12%	Độ dãn giảm rõ ở biến thể độ bền cao
Độ Cứng (Brinell)	35–70 HB	145–185 HB	Độ cứng tương quan với trạng thái kết tủa và độ đồng đều cấu trúc

Đặc Tính Vật Lý

Đặc Tính	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	2,78 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al–Zn–Mg–Cu cường độ cao; độ bền riêng xuất sắc
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~477–635 °C	Phạm vi nóng chảy rộng do hợp kim; lưu ý pha eutectic nóng chảy thấp khi hàn
Độ Dẫn Nhiệt	~120–140 W/m·K (25 °C)	Thấp hơn nhôm tinh khiết nhưng đủ cho nhiều ứng dụng quản lý nhiệt
Độ Dẫn Điện	~30–40 %IACS	Thấp hơn các hợp kim nhôm ít hợp kim hơn; độ dẫn giảm sau khi tôi già
Nhiệt Dung Riêng	~0,90 J/g·K	Gần giá trị điển hình của kim loại nền nhôm
Hệ Số Giãn Nhiệt	23,0–24,5 µm/m·K (20–100 °C)	Hệ số giãn trung bình; cần tính bù khi ghép nối với vật liệu khác loại

7071 thể hiện các đặc tính nhiệt và điện điển hình của các hợp kim nhôm dòng 7xxx cường độ cao: độ dẫn nhiệt và dẫn điện giảm so với các hợp kim nhôm tinh khiết hơn do hàm lượng hợp kim cao. Ưu thế về mật độ vẫn là yếu tố chính thúc đẩy; tỷ lệ độ bền trên trọng lượng thuận lợi cho thiết kế kết cấu cần giảm khối lượng.

Giới hạn xử lý nhiệt bị chi phối bởi các hợp chất nóng chảy thấp tạo thành từ các nguyên tố dư; các hoạt động sản xuất như hàn, hàn thiếc và gia nhiệt cục bộ phải kiểm soát chặt nhằm tránh nóng chảy cục bộ và thay đổi cấu trúc vi mô gây hại. Hệ số giãn nở nhiệt tương tự các hợp kim tôi kéo khác, do đó cần cân nhắc ứng suất nhiệt chênh lệch khi ghép nối với vật liệu composite hoặc thép.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi cơ lý	Độ cứng phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.2 mm – 6 mm	Độ dày mỏng giúp già hóa đồng đều hơn	O, H14, T6, T73	Sử dụng khi cần độ bền cao ở độ dày mỏng; kiểm soát kỹ về khuyết tật bề mặt
Đĩa	6 mm – 100 mm	Phần dày nhạy cảm với tôi; có thể cần T73	T6, T651, T73	Đĩa dày thường không đạt đủ tính chất T6 nếu không có quy trình điều chỉnh
Đùn	Hình dạng dài lên đến mét	Có tính chất định hướng tốt; có thể tăng cứng khi già hóa	T5, T6	Các hình dạng đùn dùng làm chi tiết kết cấu chịu lực cao
Ống	Đường kính nhỏ đến lớn, phụ thuộc độ dày thành	Hành vi tương tự thanh/đùn	T6, T651	Ống hàn hoặc kéo cần xử lý nhiệt kiểm soát để tránh biến dạng
Thanh/Que	Đường kính lên đến 200 mm	Yếu tố đồng nhất rất quan trọng; áp lực nội residual cao khi gia công nguội	O, T6	Thanh dùng cho chi tiết gia công và bulông ốc vít

Tấm thường được sản xuất với hoàn thiện bề mặt và kiểm soát độ cứng phù hợp cho gia công thứ cấp và tạo hình; đĩa lớn cần xử lý nhiệt dày và thường dùng T73 để giảm ứng suất dư và nứt. Đùn và ống ưu tiên quy trình T5/T6 để ổn định kích thước và tăng cường độ bền; tuy nhiên, thanh dài cần làm mát đồng đều để tránh chênh lệch tính chất. Thanh và các phôi rèn thường được xử lý tôi – ủ dung dịch, rồi già hóa nhân tạo hoặc ổn định cơ học (T651) để gia công chính xác và sử dụng kết cấu.

Mác thép/Nhôm tương đương

Tiêu chuẩn	Mác	Khu vực	Ghi chú
AA	7071	USA	Định danh hợp kim đặc thù trong dòng 7xxx; kiểm tra chứng nhận nhà máy để biết thành phần hóa học chính xác
EN AW	7071	Châu Âu	Có thể tham chiếu EN AW-7071; tiêu chuẩn EU có thể khác về giới hạn nguyên tố vết
JIS	A7071	Nhật Bản	Định danh của Nhật đôi khi dùng cho hợp kim Zn–Mg–Cu tương tự; so sánh dữ liệu giới hạn chảy/bền kéo
GB/T	7071	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc quy định hóa học và quy trình xử lý tại chỗ; cần đối chiếu để thay thế tương đương

Danh sách mác tương đương cho 7071 mang tính tham khảo: do hợp kim 7xxx biến thiên tỷ lệ Zn/Mg/Cu và vi hợp kim, việc thay thế trực tiếp giữa các khu vực yêu cầu kiểm tra kỹ thành phần hóa học và tính chất cơ học theo tiêu chuẩn. Các quy định khác nhau về tạp chất, phương pháp xử lý nhiệt và yêu cầu thử nghiệm nên cần kiểm tra kỹ chứng nhận nhà máy và báo cáo thử cơ lý trước khi thay thế.

Khả năng chống ăn mòn

Khả năng chống ăn mòn khí quyển của 7071 ở mức trung bình; hàm lượng kẽm và đồng cao làm giảm khả năng chống ăn mòn tự nhiên so với các hợp kim dòng 5xxx và 6xxx. Trong môi trường điển hình, hợp kim tạo màng oxit bảo vệ nhưng dễ bị ăn mòn hốc và ăn mòn nội hạt hơn trong môi trường chứa nhiều chloride hoặc công nghiệp trừ khi có phủ bảo vệ hoặc dùng các trạng thái nhiệt luyện thích hợp (ví dụ T73).

Trong môi trường biển, 7071 có khả năng chống ăn mòn kém hơn so với các hợp kim Mg-dư dòng 5xxx và một số hợp kim 6xxx được phủ bảo vệ; tiếp xúc lâu dài, vùng bị bắn nước và phun muối làm tăng tốc ăn mòn cục bộ, có thể dẫn đến giòn hóa hoặc mất tiết diện. Thông số bổ sung chống ăn mòn hoặc lớp phủ hy sinh thường được dùng cho ứng dụng biển lâu dài, và dùng trạng thái nhiệt già hoá quá mức cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất (SCC).

Nứt ăn mòn do ứng suất là rủi ro với hợp kim 7xxx cường độ cao, đặc biệt khi ở trạng thái già hóa tối ưu với ứng suất kéo dư lớn trong môi trường chứa chloride hoặc chất kiềm. Già hóa quá mức (T73/T76) và kiểm soát kỹ ứng suất dư thông qua kéo giãn hay ủ giúp giảm nguy cơ SCC. Khi ghép nối với kim loại điện hóa khác, 7071 có xu hướng làm cực dương so với thép không gỉ nhưng cực âm so với kim loại quý hơn; lớp phủ cách điện hoặc bulông cách điện thường dùng để ngăn ngừa ăn mòn điện hóa.

So với các dòng hợp kim khác, 7071 cho cường độ cao hơn nhưng đánh đổi khả năng chống ăn mòn; thiết kế thường chọn dòng 6xxx khi ưu tiên chống ăn mòn và hàn, hoặc dòng 5xxx để có hiệu năng biển tốt hơn với cường độ thấp hơn.

Tính chất gia công

Khả năng hàn

Hàn 7071 ở trạng thái nhiệt luyện tối ưu rất khó: mối hàn TIG và MIG thường bị mềm vùng chịu nhiệt (HAZ), mất cường độ, và dễ nứt nóng/lạnh do pha ở ranh giới hạt nóng chảy thấp. Thực hành khuyến cáo tránh hàn tại vị trí ứng suất cao hoặc áp dụng xử lý nhiệt trước và sau hàn khi có thể; sử dụng kim loại điền phù hợp với tính chất cơ học mục tiêu và pha nóng chảy thấp giúp giảm nguy cơ nứt nóng. Phương pháp hàn điện trở và liên kết cơ học thường được ưu tiên để duy trì nguyên vẹn kết cấu.

Khả năng gia công

7071 có độ gia công từ trung bình đến tốt đối với hợp kim nhôm cường độ cao; gia công dễ hơn thép nhưng cần thiết bị cứng, mũi dao cacbua sắc và thông số chạy ăn tối ưu để tránh mẻ dao và rung giật. Tốc độ cắt cao hơn thép nhưng thấp hơn hợp kim nhôm mềm hơn; cần làm mát và thoát phoi tốt do hợp kim tạo phoi dai, đôi khi có chuỗi dài. Độ bền dao giảm khi ở trạng thái T6 cứng, nên thường gia công thô ở trạng thái mềm hơn hoặc T651 ổn định.

Khả năng tạo hình

Khả năng uốn nguội của 7071 hạn chế khi đã già hóa do độ dẻo thấp và giới hạn chảy cao; bán kính uốn tối thiểu lớn hơn so với hợp kim 5xxx hoặc 3xxx và đàn hồi bật trở lại khá rõ. Tạo hình tốt nhất ở trạng thái O hoặc H, hoặc bằng phương pháp tạo hình nhiệt trước cho phép xử lý dung dịch và già hóa lại để phục hồi cường độ. Kéo sâu và dập mạnh thông thường tránh dùng ở trạng thái T6; thiết kế sử dụng trạng thái nhiệt luyện cụ thể (ví dụ T73) hoặc quy trình tạo hình phân đoạn để phối hợp tạo hình và chu trình già hóa cuối cùng.

Hành vi xử lý nhiệt

7071 có thể xử lý nhiệt theo chu trình cổ điển tôi dung dịch – làm nguội – già hóa. Nhiệt độ tôi dung dịch thường khoảng 470–480 °C để hòa tan Zn và Mg vào dung dịch rắn quá bão hòa, sau đó làm nguội nhanh để giữ nguyên dung dịch quá bão hòa. Già hóa nhân tạo (ví dụ T6: ~120–135 °C trong 24 giờ tùy loại hợp kim) tạo ra pha kết tủa mịn không ổn định nhằm tối đa cường độ; hồ sơ nhiệt già hóa cần điều chỉnh theo độ dày và tốc độ làm nguội ban đầu.

Già hóa quá mức (T73/T76) dùng nhiệt độ hoặc thời gian già hóa cao hơn để làm pha kết tủa thô hơn, giảm ứng suất dư và nhạy cảm SCC, chấp nhận giảm cường độ tối đa. T651 gồm tôi dung dịch, làm nguội, kéo dãn có kiểm soát để giảm ứng suất dư, rồi già hóa đạt gần cường độ T6 đồng thời ổn định kích thước hơn.

Với các biến thể không tôi nhiệt hoặc cho khả năng tạo hình tạm thời, làm cứng nguội (độ cứng H) được dùng để tăng giới hạn chảy mà không cần già hóa. Ủ giúp phục hồi hợp kim về trạng thái O bằng tái kết tinh và phục hồi độ dẻo; tuy nhiên cần nhiều chu kỳ tôi dung dịch đầy đủ để tái thiết lập hoàn toàn cơ chế tăng cứng kết tủa sau ủ.

Hiệu suất ở nhiệt độ cao

7071 giảm cường độ khi nhiệt độ tăng, giới hạn sử dụng thực tế dưới 150 °C cho ứng dụng chịu tải cần giữ cường độ. Nhiệt độ cao làm pha kết tủa thô hơn, giảm giới hạn chảy và bền kéo cũng như giảm khả năng chống mỏi và creep so với ở nhiệt độ phòng.

Oxy hóa bề mặt không nghiêm trọng khi tiếp xúc ngắn hạn, nhưng lâu dài ở nhiệt độ cao có thể gây kết tủa intermetallic thô và suy yếu ranh giới hạt, tăng nguy cơ creep và phá hủy nội hạt. Vùng ảnh hưởng nhiệt hàn (HAZ) đặc biệt dễ bị mềm hóa và giòn hóa khi tiếp xúc với nhiệt độ cao; thiết kế yêu cầu chịu nhiệt hoặc ổn định cao thường chọn hợp kim khác hoặc dùng lớp bảo vệ cách nhiệt.

Ứng dụng

Ngành công nghiệp	Ví dụ chi tiết	Lý do sử dụng 7071
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện kết cấu, khung vách ngăn	Cường độ cao trên trọng lượng và độ gia công tốt cho chi tiết hình học quan trọng
Ô tô	Bệ chassis hiệu suất cao, chi tiết hệ thống treo	Giúp giảm trọng lượng với cường độ tĩnh cao
Hàng hải	Chi tiết kết cấu chịu lực cao, phụ kiện	Dùng khi cần cường độ và có thể kiểm soát ăn mòn bằng phủ bảo vệ
Điện tử	Vỏ tản nhiệt, khung cứng	Kết hợp độ cứng và dẫn nhiệt cho cụm thiết bị nhỏ gọn

7071 thường được chọn cho chi tiết gia công chính xác nơi cần kết hợp cường độ cao, ổn định kích thước và tính chịu mỏi phù hợp để giảm kích thước tiết diện và trọng lượng. Khi khả năng chống ăn mòn được thiết kế bảo vệ và hạn chế hàn, 7071 cung cấp hiệu năng khó đạt được với các mác nhôm yếu hơn.

Thông Tin Lựa Chọn

Đối với kỹ sư lựa chọn vật liệu, ưu tiên 7071 khi yêu cầu chính là độ bền riêng và độ cứng cao, đồng thời có thể kiểm soát chặt chẽ quy trình gia công sau (gia công cơ khí, xử lý nhiệt). Sử dụng T6/T651 để đạt độ bền tĩnh tối đa, và chọn T73/T76 khi cần khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất mặc dù có sự giảm nhẹ ở độ bền cực đại.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 7071 đánh đổi khả năng dẫn điện và truyền nhiệt cũng như tính tạo hình để lấy độ bền chịu kéo và giới hạn chảy cao hơn nhiều. So với các hợp kim làm cứng ứng suất như 3003 hoặc 5052, 7071 cung cấp độ bền tĩnh cao hơn đáng kể nhưng thường giảm khả năng chống ăn mòn và tính hàn; chọn 7071 khi hiệu suất kết cấu quan trọng hơn ưu tiên về tạo hình và độ bền bề mặt. So với các hợp kim nhóm 6xxx có thể xử lý nhiệt như 6061/6063, 7071 cho độ bền cực đại cao hơn ở mật độ tương đương nhưng nhạy cảm hơn với nứt ăn mòn ứng suất và hàn; 7071 được lựa chọn khi tỷ số bền trên khối lượng là tiêu chí quyết định và khi có các biện pháp bảo vệ phù hợp chống ăn mòn và nối mối.

Tóm Tắt Cuối

7071 vẫn giữ vị trí là thành viên hiệu năng cao trong họ nhôm 7xxx dành cho các ứng dụng đòi hỏi độ bền và độ cứng lớn trong khi khối lượng thấp, đặc biệt khi gia công cơ khí và xử lý nhiệt kiểm soát được tích hợp trong quy trình sản xuất. Việc sử dụng đòi hỏi phải chú ý giảm thiểu các hạn chế về ăn mòn, hàn và tạo hình, nhưng khi được chỉ định phù hợp thì 7071 cho phép thiết kế nhẹ tối ưu trong các ngành hàng không vũ trụ, ô tô và kỹ thuật chuyên biệt.