Nhôm 7076: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

7076 là một hợp kim nhôm thuộc dòng 7xxx có cường độ cao, chủ yếu hợp kim với kẽm và nằm trong nhóm hợp kim hàng không có khả năng xử lý nhiệt. Cấu tạo kim loại dựa trên hệ kẽm-magie-dồng tạo cường độ cao thông qua quá trình làm cứng kết tủa, đưa nó vào hàng các hợp kim Al-Zn-Mg(-Cu) có độ bền cao nhất trên thị trường.

Nguyên tố hợp kim chính là kẽm và magie, với đồng và các nguyên tố vi lượng (Cr, Ti, Zr) dùng để kiểm soát cấu trúc hạt, đáp ứng lão hóa và khả năng chống ăn mòn cục bộ. Việc tăng cường độ được thực hiện bằng cách xử lý nhiệt dung dịch, làm nguội nhanh và lão hóa nhân tạo để tạo kết tủa MgZn2 và các pha liên quan phân tán mịn; quá trình làm cứng biến dạng đóng vai trò phụ trong một số trạng thái tôi luyện (H-temps).

Các đặc tính chính bao gồm cường độ kéo và giới hạn chảy rất cao cho một hợp kim nhôm cán, khả năng chống ăn mòn trung bình đến kém so với dòng 5xxx và 6xxx, khả năng hàn hạn chế khi không mất cường độ trong vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ), và độ dẻo tương đối tốt ở các trạng thái mềm hơn. Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 7076 gồm cấu kiện kết cấu hàng không vũ trụ, thiết bị quốc phòng, đồ thể thao hiệu suất cao, và các linh kiện giao thông vận tải chuyên biệt đòi hỏi tỷ số lực trên khối lượng và độ cứng cao.

Kỹ sư lựa chọn 7076 thay cho các hợp kim khác khi yêu cầu tối đa tỷ số lực trên khối lượng và có thể áp dụng các biện pháp xử lý nhiệt sau gia công cũng như phương pháp bảo vệ chống ăn mòn (phủ lớp, mạ hoặc hợp kim hy sinh). Hợp kim này được chọn thay cho dòng 6xxx khi cần cường độ đỉnh cao hơn, và thay cho 7075 khi các đặc tính về độ dai, quá trình xử lý hoặc điều chỉnh thành phần riêng biệt mang lại lợi ích ứng dụng cụ thể.

Các Biến Thể Tôi Luyện

Trạng thái tôi luyện	Mức độ cường độ	Độ dãn dài	Khả năng tạo hình	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (10–25%)	Xuất sắc	Xuất sắc (cần xử lý trước/sau khi hàn)	Điều kiện ủ mềm hoàn toàn để tạo hình
T4	Trung bình	Trung bình (8–15%)	Tốt	Hạn chế	Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa tự nhiên
T6	Cao	Thấp đến Trung bình (5–11%)	Trung bình	Kém (mềm nhiều vùng HAZ)	Xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa nhân tạo đạt cường độ đỉnh
T73	Trung bình - Cao (cải thiện chống ăn mòn ứng suất SCC)	Trung bình (6–12%)	Trung bình	Kém	Lão hóa quá mức để tăng khả năng chống ăn mòn và SCC
T651	Cao (giảm ứng suất nội tại)	Thấp đến Trung bình (5–11%)	Trung bình	Kém	T6 có giảm ứng suất bằng kéo dãn
H2X / H3X (biến thể làm cứng biến dạng)	Thay đổi	Thay đổi	Thay đổi	Hạn chế	Được làm cứng và tôi luyện một phần để đạt đặc tính cụ thể

Việc chọn trạng thái tôi luyện có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất: xử lý nhiệt dung dịch và lão hóa nhân tạo (dòng T6) tối đa hóa giới hạn chảy và kéo nhưng giảm độ dẻo cũng như khả năng hàn. Các trạng thái lão hóa quá mức như T73 đánh đổi một phần cường độ đỉnh để cải thiện rõ rệt khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất (SCC) và hiệu suất trong môi trường ăn mòn mạnh.

Đối với tạo hình và các thao tác đòi hỏi biến dạng dẻo cao (kéo sâu, uốn mạnh), trạng thái ủ mềm O hoặc lão hóa nhẹ T4 được ưu tiên; cường độ cuối cùng có thể được phục hồi bằng xử lý nhiệt toàn phần nếu thiết kế cho phép.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0,40	Tạp chất; kiểm soát để giảm độ giòn và lỗi đúc
Fe	≤ 0,50	Kiểm soát; Fe cao tạo intermetallic giảm độ dai
Mn	≤ 0,30	Phụ; hỗ trợ kiểm soát cấu trúc hạt một số biến thể
Mg	2,0–3,0	Nguyên tố chính tạo cường độ qua kết tủa MgZn2
Cu	1,2–1,9	Tăng cường độ và ảnh hưởng đến phản ứng lão hóa; làm tăng khả năng SCC
Zn	5,6–7,0	Nguyên tố cung cấp cường độ chính cho dòng 7xxx
Cr	0,18–0,35	Vi hợp kim giúp kiểm soát hạt và ngăn tái kết tinh
Ti	≤ 0,20	Chất mịn hạt trong chế biến đúc/cán
Khác (Zr, Sc, Ni, Pb)	≤ 0,05 mỗi loại, còn lại Al	Thêm vi lượng trong các lô chuyên biệt để điều chỉnh tính chất

Hiệu năng cơ học và chống ăn mòn của hợp kim chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ Zn, Mg và Cu: Zn và Mg tạo kết tủa MgZn2 ở quá trình lão hóa, trong khi Cu tăng cường cường độ đỉnh và ảnh hưởng đến chuỗi kết tủa. Chất mịn hạt (Ti, Zr) và tạo tiểu pha phân tán (Cr, Zr) thường được dùng để ổn định cấu trúc vi mô trong quá trình gia công nhiệt và giảm tái kết tinh, từ đó nâng cao độ dai và khả năng chống SCC.

Đặc Tính Cơ Học

Hành vi kéo giãn của 7076 đặc trưng cho các hợp kim cường độ cao dòng 7xxx: giới hạn chảy và kéo tăng mạnh sau lão hóa nhân tạo với độ dãn đều thấp. Ở các trạng thái lão hóa đạt đỉnh, kiểu gãy thường là hỗn hợp giữa rách dẻo xuyên hạt và đặc điểm giữa các hạt nơi có kết tủa lớn và pha biên hạt; các đặc điểm vi cấu trúc này ảnh hưởng đến quá trình khởi tạo và phát triển vết nứt mỏi.

Giới hạn chảy chịu ảnh hưởng đáng kể bởi trạng thái tôi luyện và bề dày: vật liệu T6 dạng tấm mỏng gần đạt hiệu quả làm cứng kết tủa tối ưu, trong khi các tiết diện dày hơn hoặc vùng ảnh hưởng nhiệt của mối hàn giữ cường độ thấp hơn. Hiệu suất mỏi tốt trong họ hợp kim này khi bề mặt được hoàn thiện tốt và tránh được các rỗ ăn mòn; xử lý bề mặt và phun bi cải thiện đáng kể tuổi thọ mỏi chu kỳ cao.

Độ cứng tỷ lệ thuận với cường độ kéo/giới hạn chảy: vật liệu ủ mềm O tương đối mềm và dễ gia công, còn T6/T651 có độ cứng cao nhưng độ dẻo giảm và tăng mài mòn dụng cụ gia công. Ảnh hưởng của bề dày rất rõ: các đặc tính đạt đỉnh giảm khi bề mặt cắt ngang tăng do tốc độ làm nguội chậm và kết tủa thô.

Đặc tính	O/ Ủ mềm	Trạng thái chính (vd: T6/T651)	Ghi chú
Độ bền kéo	~240–320 MPa	~540–620 MPa	Giá trị T6 điển hình cho sản phẩm cán mỏng; nhiệt và quá trình ảnh hưởng phạm vi
Giới hạn chảy	~120–200 MPa	~480–560 MPa	Giới hạn tăng rõ rệt sau lão hóa nhân tạo
Độ dãn dài	~10–25%	~5–11%	Độ dãn giảm khi cường độ tăng
Độ cứng (HB)	~60–95 HB	~150–190 HB	Độ cứng tăng theo mật độ kết tủa; giá trị thay đổi theo bề dày và phương pháp thử

Đặc Tính Vật Lý

Đặc tính	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	~2,78 g/cm³	Tiêu chuẩn cho các hợp kim Al-Zn-Mg-Cu cường độ cao; thấp hơn thép
Điểm nóng chảy	Solidus ~470–490 °C; Liquidus ~635–650 °C	Khoảng nhiệt rộng do các nguyên tố hợp kim
Độ dẫn nhiệt	~120–150 W/m·K	Giảm so với nhôm nguyên chất nhưng vẫn thuận lợi cho tản nhiệt so với nhiều kim loại khác
Độ dẫn điện	~28–38 % IACS	Thấp hơn dòng 1xxx và 6xxx do hợp kim
Nhiệt dung riêng	~0,88–0,90 J/g·K	Tiêu chuẩn hợp kim nhôm ở nhiệt độ thường
Hệ số giãn nở nhiệt	~23–24,5 µm/m·K (20–100 °C)	Tương tự các hợp kim nhôm khác; cần lưu ý khi thiết kế liên kết vật liệu khác nhau chịu nhiệt độ cao

7076 cung cấp sự kết hợp thuận lợi giữa mật độ thấp và độ dẫn nhiệt hợp lý, khiến nó phù hợp cho các ứng dụng quản lý nhiệt trọng lượng quan trọng. Hệ số giãn nở và dẫn nhiệt của hợp kim cần được cân nhắc trong các liên kết các vật liệu khác nhau, đặc biệt khi làm việc ở nhiệt độ cao, vì sự biến dạng nhiệt khác biệt có thể gây ra các tập trung ứng suất.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Tiêu Biểu	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Cứng Thường Dùng	Ghi Chú
Tấm	0.5 mm – 6 mm	Đạt gần tới đặc tính T6 cao nhất ở các độ dày mỏng	O, T4, T6, T651, T73	Phổ biến cho vỏ và tấm máy bay; khả năng tạo hình phụ thuộc vào độ cứng
Thép dày (Plate)	6 mm – 150 mm trở lên	Đặc tính cao nhất giảm ở tiết diện dày; cần tôi thực hiện kiểm soát	T6, T651, T73	Thép dày cần kiểm soát quá trình để tránh lõi mềm hoặc kết tủa thô
Đùn (Extrusion)	Hình dạng phức tạp, đường kính đến vài trăm mm	Đặc tính chịu ảnh hưởng của làm nguội và đồng nhất vật liệu	T6, T651	Dùng cho biên dạng kết cấu; vi cấu trúc phụ thuộc thành phần liệu và tốc độ đùn
Ống	Độ dày thành mỏng đến dày	Xu hướng tăng cứng tương tự; thiết kế mối hàn/khớp rất quan trọng	T6, T651	Ống kéo hoặc đùn dùng cho chi tiết kết cấu; thường tôi mềm trước khi tạo hình
Thanh/Trục	Đường kính 3 mm – 200 mm	Gia công tốt ở trạng thái O; cường độ tăng sau quá trình lão hóa	O, T6, T651	Dùng cho liên kết bulong, phụ kiện và chi tiết gia công

Quy trình tạo hình và dạng sản phẩm ảnh hưởng lớn đến đặc tính đạt được: tấm và đùn mảnh có thể đạt đầy đủ cường độ T6 một cách tin cậy, trong khi thép dày và tiết diện lớn thường cần chu kỳ tôi và lão hóa đặc biệt để tránh sự không đồng đều về đặc tính. Các lựa chọn xử lý—như tiền lão hóa, môi trường làm nguội kiểm soát, và kéo giãn giảm ứng suất—rất quan trọng để đảm bảo ổn định kích thước và đồng đều cơ tính xuyên suốt các dạng sản phẩm.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	7076	USA	Định danh của Aluminum Association; làm chuẩn tham chiếu thành phần và độ cứng
EN AW	7076 (xấp xỉ)	Châu Âu	Định danh EN thường phù hợp nhưng giới hạn thành phần và mã độ cứng có thể khác
JIS	A7076 (xấp xỉ)	Nhật Bản	JIS không phải lúc nào cũng có mác tương đương chính xác cho mọi mẻ; kiểm tra chứng chỉ vật liệu địa phương
GB/T	7076 (xấp xỉ)	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc thường gần tương đương; cần xác minh khác biệt về cơ tính

Việc so khớp mác tương đương cần thận trọng: giới hạn hóa học và định nghĩa độ cứng trong EN, JIS và GB/T không luôn giống bảng AA, và các biến thể phụ với vi hợp kim (Zr, Sc) hoặc tỷ lệ Cu/Mg điều chỉnh có thể dẫn tới khác biệt lớn về quá trình xử lý và hiệu năng. Kỹ sư nên so sánh báo cáo thử nghiệm hóa học và cơ học đã được chứng nhận thay vì chỉ dựa vào tên mác khi thay thế nguồn vật liệu giữa các vùng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

7076, giống như các hợp kim nhôm 7xxx có hàm lượng Zn cao khác, có khả năng chống ăn mòn khí quyển vừa phải nhưng dễ bị ăn mòn cục bộ và nứt ăn mòn ứng suất (SCC) cao hơn so với hợp kim 5xxx và nhiều loại 6xxx. Trong môi trường trung tính hợp kim không phủ bảo vệ thể hiện hiệu suất chấp nhận được, nhưng trong môi trường công nghiệp hoặc biển cần lớp phủ bảo vệ, mạ kim loại (ví dụ: Alclad) hoặc bảo vệ catốt để đạt tuổi thọ dài.

Trong môi trường biển và giàu clorua, sự ăn mòn hốc và tấn công liên hạt có thể bắt đầu tại vùng mất kết tủa gần biên giới hạt, đặc biệt ở độ cứng đạt đỉnh. Lão hóa quá mức (xử lý tương đương T73/T76) và vi hợp kim hóa (bổ sung Cr, Zr) là các chiến lược phổ biến để giảm nguy cơ SCC và cải thiện khả năng chống ăn mòn do clorua.

Tương tác galvanic theo kiểu nhôm điển hình: khi kết hợp với kim loại quý hơn (thép không gỉ, đồng), 7076 sẽ ăn mòn ưu tiên nên cần cách điện hoặc sử dụng anot hy sinh trong cụm kim loại hỗn hợp. So với hợp kim 3xxx/5xxx, 7076 đổi lấy hiệu suất chống ăn mòn để lấy cường độ; so với hợp kim 6xxx, nó thường mạnh hơn nhưng nhạy cảm hơn với SCC trừ khi được xử lý đặc biệt.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

Hàn hợp kim 7xxx cường độ cao là thách thức: phương pháp hàn chảy (GMAW/MIG, GTAW/TIG) thường gây mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và mất cường độ do sự hòa tan hoặc kết tủa thô. Việc xử lý nhiệt trước và sau hàn thường không khả thi cho cụm, do đó các mối nối bằng đinh tán hoặc liên kết cơ khí thường được sử dụng trong ứng dụng kết cấu quan trọng. Khi bắt buộc hàn, nên sử dụng hợp kim điền đầy cường độ thấp hơn (ví dụ 5356 hoặc 4043) và quy trình kiểm soát để tạo mối nối chấp nhận được cho kết cấu phụ, nhưng nhà thiết kế phải tính đến giảm cường độ nối và tăng nguy cơ SCC.

Khả năng gia công

Gia công ở trạng thái tôi mềm (O) tốt: hợp kim gia công tương tự các hợp kim nhôm cường độ cao khác, cho phoi ngắn và vụn với dụng cụ phù hợp. Ở trạng thái đạt đỉnh tuổi, mài mòn dụng cụ tăng do cường độ và độ cứng cao; nên dùng dụng cụ cacbua có góc pha dương cao và bôi trơn làm mát mạnh. Chỉ số gia công trung bình; cần điều chỉnh tốc độ và bước tiến để giữ bề mặt và tuổi thọ dụng cụ.

Khả năng tạo hình

Khả năng tạo hình phụ thuộc nhiều vào độ cứng: các độ cứng O và T4 có độ uốn và dập tốt, phù hợp tạo hình tấm với bán kính uốn tối thiểu hợp lý (ví dụ 2–4× chiều dày cho uốn khí tùy dụng cụ). Vật liệu T6/T651 có khả năng tạo hình nguội hạn chế, dễ nứt nếu uốn không giảm ứng suất; tạo hình nóng và chu trình tôi + tôi lão được dùng khi cần hình dạng phức tạp kèm cường độ cuối cao.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

7076 thuộc nhóm hợp kim có thể xử lý nhiệt: tôi dung dịch hòa tan các nguyên tố hợp kim vào dung dịch rắn quá bão hòa, thường thực hiện trong khoảng 470–480 °C với thời gian giữ thích hợp theo độ dày tiết diện. Quench nhanh (làm nguội nước hoặc polymer kiểm soát) cần thiết để giữ được trạng thái quá bão hòa cao, sau đó thực hiện lão hóa nhân tạo để kết tủa pha tăng cường.

Lão hóa nhân tạo thành T6 thường diễn ra ở ~120–125 °C với thời gian tùy chỉnh nhằm đạt thông số cơ học mục tiêu; nhiệt độ cao hơn cho quá lão hóa (xử lý T73/T76) giảm cường độ đỉnh nhưng cải thiện đáng kể khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và độ ổn định ở nhiệt độ cao. Độ cứng T651 có thêm kéo dãn kiểm soát nhằm làm giảm ứng suất sau quench trong khi duy trì đặc tính đạt đỉnh.

Với các quá trình dựa trên làm cứng biến dạng như độ cứng H, có thể sử dụng lão hóa biến dạng và tôi bán phần để tùy chỉnh đặc tính trung gian; tuy nhiên, lộ trình thiết kế chủ đạo với 7076 là chu trình tôi dung dịch/lão hóa thay vì làm cứng nguội.

Hiệu Suất Nhiệt Độ Cao

Cường độ 7076 giảm nhanh khi nhiệt độ tăng: mềm đáng kể trên ~120–150 °C, và phơi nhiễm lâu dài trên ~100–120 °C tăng quá lão hóa và mất đặc tính giới hạn chảy/bền kéo. Khả năng chống creep hạn chế so với hợp kim nhiệt độ cao; chịu được nhiệt độ cao trong ngắn hạn nhưng dao động nhiệt độ lặp lại có thể giảm tuổi mỏi và ổn định kích thước.

Oxy hóa tối thiểu ở nhiệt độ thường cho ứng dụng kết cấu, nhưng nhiệt độ cao làm tăng kết tủa thô và biến đổi pha tại biên giới hạt, tăng nguy cơ SCC và giảm độ dai va đập. Vùng HAZ tạo ra khi hàn hoặc gia nhiệt cục bộ rất dễ suy giảm đặc tính và nên hạn chế hoặc xử lý hậu khi có thể.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 7076
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện cánh, điểm chịu lực, và rèn kết cấu	Cường độ trên khối lượng cao và khả năng chịu mỏi cho chi tiết chịu tải
Hàng hải	Chi tiết kết cấu tàu cao cấp	Kết hợp giữa cường độ và chiến lược chống ăn mòn thích hợp
Quân sự	Chi tiết súng nhỏ và pháo binh	Cường độ và độ dai cao cho chi tiết quan trọng
Ô tô	Chi tiết treo hiệu suất cao	Cho phép làm chi tiết nhẹ và cứng, ưu tiên giảm trọng lượng
Thể thao/Giải trí	Khung xe đạp cao cấp và thiết bị đua	Đạt cường độ và độ cứng đặc hiệu cao nhất trong các lựa chọn hợp kim
Điện tử	Khung kết cấu và một số chi tiết quản lý nhiệt	Cân bằng giữa dẫn nhiệt và khối lượng thấp cho cụm nhạy về trọng lượng

7076 được lựa chọn khi cần cường độ tĩnh và mỏi rất cao trên đơn vị khối lượng và thiết kế có thể áp dụng quy trình gia công, bảo vệ chống ăn mòn phù hợp. Hợp kim này rất phổ biến trong kết cấu chính và phụ của ngành hàng không vũ trụ, nơi lợi thế cơ học vượt trội đáng kể chi phí xử lý thêm.

Gợi Ý Lựa Chọn

7076 phù hợp khi cường độ trên trọng lượng là yếu tố thiết kế chính và khi người dùng chấp nhận các yêu cầu gia công và bảo vệ chống ăn mòn nghiêm ngặt hơn. Chọn 7076 cho chi tiết kết cấu chịu tải nặng sẽ được xử lý nhiệt sau khi tạo hình hoặc khi xử lý hậu để bảo vệ chống ăn mòn là quy trình chuẩn.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 7076 đổi lấy độ bền cao hơn nhiều nhưng giảm đáng kể khả năng dẫn điện và dẫn nhiệt cũng như khả năng tạo hình nguội; nên dùng 1100 khi ưu tiên khả năng dẫn điện hoặc tính tạo hình kéo sâu. So với các hợp kim làm cứng nguội như 3003 hoặc 5052, 7076 cung cấp độ bền cực đại cao hơn nhiều nhưng yêu cầu kiểm soát ăn mòn nghiêm ngặt hơn và khả năng hàn cùng tạo hình nguội kém hơn. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061/6063, 7076 mang lại giới hạn bền kéo và giới hạn chảy cao hơn ở các trạng thái nhiệt luyện tối ưu nhưng thường đi kèm chi phí cao hơn, khả năng chống ăn mòn thấp hơn và hàn khó hơn; nên ưu tiên 7076 khi độ bền vượt trội bù đắp cho các nhược điểm về gia công và bảo vệ.

Tóm tắt cuối

7076 vẫn là hợp kim nhôm hiệu suất cao có vai trò quan trọng khi yêu cầu tỷ lệ bền trên khối lượng vượt trội và quá trình sản xuất có thể kiểm soát tốt xử lý nhiệt, hàn và bảo vệ chống ăn mòn; vị trí của nó là trong các ứng dụng kết cấu đòi hỏi khắt khe, nơi các đánh đổi trong kỹ thuật—khả năng hàn giảm và quản lý ăn mòn tăng—được chấp nhận để đạt được hiệu năng cao hơn.