Nhôm 713: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn xử lý nhiệt & Ứng dụng

Tổng quan toàn diện

Hợp kim 713 thuộc dòng hợp kim nhôm có cường độ cao và có thể xử lý nhiệt, gần giống nhất với hệ hóa học và hiệu suất của dãy 7xxx. Hợp kim chủ yếu được hợp kim hóa với kẽm như nguyên tố tăng cường chính, kết hợp với magie và đồng để tạo ra cấu trúc vi tinh thể qua quá trình tôi lắng kết.

Cơ chế tăng cường chính của 713 là làm già theo tuổi bằng xử lý hòa tan, sau đó làm nguội có kiểm soát và lão hóa nhân tạo; hợp kim thể hiện độ tăng cường rõ rệt nhờ sự hình thành các pha kết tủa MgZn2 (pha eta) liên kết và bán liên kết. Đặc điểm nổi bật bao gồm độ bền kéo và giới hạn chảy cao so với mật độ, khả năng chống ăn mòn nội tại từ trung bình đến kém so với các hợp kim 5xxx/6xxx, và độ dẻo gia công giới hạn nhưng có thể thực hiện được ở các trạng thái mềm hơn; tính hàn cần được chú ý để tránh làm mềm vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và nứt gãy.

Ngành công nghiệp tiêu biểu dùng hợp kim 713 là phụ kiện kết cấu hàng không vũ trụ, linh kiện ô tô hiệu suất cao, thiết bị quốc phòng và một số thiết bị thể thao hoặc hàng hải, nơi tỷ lệ cường độ/trọng lượng rất quan trọng. Hợp kim này được chọn thay cho các hợp kim có cường độ thấp hơn khi ưu tiên thiết kế là sức bền tĩnh và mỏi đỉnh, độ cứng và khả năng chịu tổn thương theo trọng lượng cao hơn so với khả năng chống ăn mòn tuyệt đối hoặc độ dễ hàn.

Nhà thiết kế lựa chọn 713 khi ứng dụng đòi hỏi cường độ tối đa từ hợp kim nhôm có thể xử lý nhiệt hòa tan với phản ứng lão hóa tương đối dự đoán được, đồng thời có thể áp dụng được các biện pháp khôi phục cơ tính sau hàn hoặc giảm thiểu ăn mòn (phủ, anode hóa, hợp kim hy sinh).

Biến thể trạng thái (Temper)

Temper	Mức độ cường độ	Độ giãn dài	Khả năng gia công	Khả năng hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (12–20%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn tôi mềm, phù hợp nhất để tạo hình và kéo dài
H14	Trung bình	Trung bình (8–12%)	Tốt	Khá	Làm cứng biến dạng, tăng cường hạn chế
T5	Trung bình-cao	Trung bình (6–10%)	Trung bình	Khá	Được làm nguội từ quá trình gia công nóng và lão hóa nhân tạo
T6	Cao	Thấp hơn (6–10%)	Khá đến kém	Hạn chế	Xử lý hòa tan + lão hóa nhân tạo; đạt cường độ đỉnh
T651	Cao	Thấp hơn (6–10%)	Khá đến kém	Hạn chế	Tương tự T6 với xử lý giảm ứng suất bằng kéo dãn để ổn định tính chất
H112	Thay đổi	Thay đổi	Thay đổi	Thay đổi	Trạng thái thành phẩm; điều kiện kiểm soát bởi nhà cung cấp

Trạng thái temper kiểm soát mạnh mẽ phạm vi cơ tính của 713: trạng thái tôi mềm O tối đa hóa độ dai và khả năng tạo hình nhưng đánh đổi cường độ, trong khi T6/T651 cung cấp giới hạn chảy và độ bền kéo đỉnh kèm theo giảm độ giãn dài và độ uốn. Việc lựa chọn temper là sự thỏa hiệp kỹ thuật giữa các phép gia công cần thiết, sức bền cuối cùng của chi tiết và khả năng chịu đựng các hiện tượng như nứt ăn mòn ứng suất và làm mềm HAZ sau hàn.

Thành phần hóa học

Nguyên tố	Phạm vi %	Ghi chú
Si	≤ 0.40	Tạp chất; ảnh hưởng nhẹ đến độ chảy và khả năng làm cứng
Fe	≤ 0.50	Các hợp chất intermetallic giàu Fe làm giảm độ dai va đập và tuổi mỏi
Mn	≤ 0.30	Chất biến cấu trúc hạt nhỏ; tăng cường hòa tan giới hạn
Mg	2.0–2.9	Thành phần chủ chốt cho kết tủa MgZn2; kiểm soát tốc độ lão hóa
Cu	1.2–1.8	Tăng cường độ và độ cứng, có thể giảm khả năng chống ăn mòn
Zn	5.1–6.5	Nguyên tố hợp kim chính tạo pha kết tủa Mg-Zn
Cr	0.10–0.30	Kiểm soát quá trình tái kết tinh và cấu trúc hạt, cải thiện độ dai
Ti	≤ 0.10	Chất tinh chế hạt trong quá trình đúc hoặc gia công thô
Khác (mỗi loại)	≤ 0.05–0.15	Phụ gia vết và nguyên tố tồn dư; cân bằng Al

Thành phần hóa học định danh của 713 được điều chỉnh cho cơ chế tôi lão: kẽm và magie kết hợp tạo nên pha tăng cường chủ đạo trong quá trình lão hóa, trong khi đồng tăng cường độ đỉnh và góp phần làm cứng với đánh đổi là giảm một phần khả năng chống ăn mòn. Crom và lượng nhỏ titan hoạt động như chất ổn định cấu trúc vi tinh thể, nhằm tinh luyện hạt và giảm nhạy cảm tái kết tinh trong quá trình gia công nhiệt – cơ.

Tính chất cơ học

Về ứng xử kéo, 713 thể hiện sự phụ thuộc mạnh vào trạng thái temper và độ dày tiết diện. Ở trạng thái T6/T651 lão hóa đỉnh, hợp kim phát triển giới hạn bền kéo cao và giới hạn chảy đáng kể với độ giãn dài vừa phải, trong khi vật liệu tôi mềm có cường độ thấp hơn nhiều nhưng độ dẻo và độ dai ưu việt hơn. Đường cong ứng suất - biến dạng thường cho thấy độ dẻo phân bố đồng đều hạn chế trước khi xuất hiện cổ cổ cục bộ ở các temper cường độ cao, nhưng vẫn giữ mô đun đàn hồi và tính đàn hồi tương đương với các loại nhôm khác.

Giới hạn chảy và độ bền kéo nhạy cảm với các tham số lão hóa và độ dày; các tiết diện dày nguội chậm hơn khi làm nguội, làm giảm độ cứng đỉnh đạt được và làm thay đổi tốc độ lão hóa. Độ cứng thường dùng làm thước đo thay thế cho trạng thái temper và mức độ bền kéo trên sàn gia công, với các phương pháp đo độ cứng Brinell hoặc Vickers có mối tương quan chặt với dữ liệu kéo. Khả năng chịu mỏi tương đương trong lớp này khi bề mặt và trạng thái ứng suất dư được kiểm soát tốt, tuy nhiên tuổi thọ mỏi bị ảnh hưởng mạnh bởi ăn mòn, khuyết tật bề mặt và lịch sử gia công nguội.

Tính chất	O/Tôi mềm	Temper chính (ví dụ T6 / T651)	Ghi chú
Độ bền kéo (UTS)	240–320 MPa	520–590 MPa	Giá trị lão hóa đỉnh T6/T651 phụ thuộc độ dày và quy trình lão hóa
Giới hạn chảy (0.2% offset)	110–200 MPa	450–540 MPa	Giới hạn chảy tăng mạnh từ O đến T6; vùng HAZ có thể giảm giới hạn chảy cục bộ
Độ giãn dài (trong 50 mm)	12–20%	6–12%	Độ giãn dài giảm do lão hóa và gia công nguội; phương pháp đo ảnh hưởng kết quả
Độ cứng (HB)	60–80 HB	140–170 HB	Phạm vi Brinell ước lượng; độ cứng có tương quan với tính chất kéo

Tính chất vật lý

Tính chất	Giá trị	Ghi chú
Mật độ	2.80 g/cm³	Điển hình cho hợp kim Al-Zn-Mg-Cu có cường độ cao; độ bền riêng tuyệt vời
Phạm vi nhiệt độ nóng chảy	~500–635 °C (từ rắn đến lỏng)	Hợp kim làm giảm điểm nóng chảy lỏng so với nhôm tinh khiết; cần chú ý khi đúc
Độ dẫn nhiệt	~120–140 W/m·K	Thấp hơn hợp kim 6xxx và nhôm nguyên chất nhưng vẫn tốt cho tản nhiệt
Độ dẫn điện	~30–35% IACS	Giảm do hợp kim hóa; mức điển hình của lớp hợp kim 7xxx
Nhiệt dung riêng	~0.88 J/g·K	Tương đương các hợp kim nhôm rèn khác
Hệ số giãn nở nhiệt	~23.2 µm/m·K	Gần với giá trị nhôm điển hình; cần tính đến biến dạng nhiệt trong thiết kế

Bộ tính chất vật lý này định vị 713 là kim loại kết cấu nhẹ, dẫn nhiệt tốt với sự giãn nở nhiệt và nhiệt dung ổn định, phù hợp cho các ứng dụng quản lý nhiệt. Độ dẫn điện thấp hơn so với nhôm tinh khiết giới hạn ứng dụng trong dẫn điện dòng cao, nhưng độ dẫn nhiệt vẫn đạt yêu cầu cho nhiều trường hợp tản nhiệt khi cường độ cơ học cũng là yếu tố cần thiết bên cạnh khả năng nhiệt.

Dạng sản phẩm

Dạng	Độ dày/Kích thước điển hình	Hành vi bền	Temper phổ biến	Ghi chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Độ bền đồng đều ở tiết diện mỏng; thuận lợi cho gia công nguội ở temper O/H	O, H14, T5, T6	Phổ biến cho tấm vỏ và các chi tiết bề mặt
Đĩa (Plate)	6–200+ mm	Ảnh hưởng độ dày đáng kể; đĩa dày có thể không đạt đủ cường độ T6 không có làm nguội đặc biệt	O, T6, T651	Ứng dụng kết cấu đòi hỏi kiểm soát làm nguội cẩn thận
Biên dạng đùn (Extrusion)	Tiết diện cắt lên đến vài trăm mm	Tính chất cơ học thay đổi theo quá trình nhiệt luyện và lão hóa; có thể có tính dị hướng	T5, T6, H112	Hồ sơ dài dùng cho khung và thanh gia cứng
Ống	Ø10–200 mm	Tính chất nhạy với phương pháp sản xuất (liền mạch hoặc hàn) và xử lý nhiệt sau đó	T6, T651	Ống thủy lực, kết cấu và vận chuyển
Thanh tròn/Thanh đặc	Ø5–100 mm	Thường sản xuất ở trạng thái T6 hoặc O; phản ứng lão hóa dự đoán được	O, T6	Bulong, chi tiết lắp, các chi tiết gia công

Tấm và vật mỏng nói chung dễ gia công tạo hình và đạt hiệu suất cơ học ổn định, trong khi đĩa và biên dạng dày cần chú ý tốc độ làm nguội và biến dạng trong quá trình xử lý hòa tan. Biên dạng đùn và thanh thường được lão hóa bổ sung (T5/T6) để tối ưu hóa cường độ, còn ống hàn và chi tiết kết cấu cần xử lý nhiệt hậu hàn hoặc thiết kế dự phòng cho tình trạng làm mềm HAZ.

Các Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	713	USA	Ký hiệu dùng cho loại hợp kim công nghiệp/độc quyền này; có đặc tính gần giống nhóm 7xxx
EN AW	—	Châu Âu	Không có mác EN chính xác tương đương; các loại gần nhất thường là EN AW-7075 và EN AW-7050
JIS	—	Nhật Bản	Không có mác JIS trực tiếp tương đương; thường so sánh với hợp kim A7075 về cơ tính
GB/T	—	Trung Quốc	Không có mác GB/T trực tiếp tương đương; hợp kim nhóm 7xxx Trung Quốc có thành phần hóa học và hiệu suất tương tự

Không tồn tại một tiêu chuẩn toàn cầu duy nhất tương ứng 1-1 với 713; thay vào đó kỹ sư thường tham chiếu các hợp kim họ 7xxx đã được công nhận (7075, 7050) để suy đoán hành vi thiết kế, mua hàng và chứng nhận. Các khác biệt nhỏ về giới hạn đồng, kẽm và magiê cũng như sự có mặt của các nguyên tố vi hợp kim (Cr, Zr, Ti) tạo ra sự khác biệt đáng kể trong phản ứng lão hóa, độ dai va đập và khả năng mắc SCC (nứt ăn mòn ứng suất) cần được xác nhận qua chứng nhận vật liệu của nhà cung cấp.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong môi trường khí quyển, hợp kim 713 có hiệu suất hợp lý khi được bảo vệ bởi lớp phủ, sơn hoặc màng anode hóa, nhưng kim loại trần tiếp xúc trực tiếp dễ bị rỗ và bóc tách hơn so với các hợp kim nhóm 5xxx và 6xxx. Hàm lượng Cu và cấu trúc kết tủa cường độ cao làm tăng khả năng ăn mòn cục bộ và ăn mòn khe hở, đặc biệt trong các môi trường ẩm/khô chu kỳ hoặc chứa clorua.

Trong môi trường biển cần thận trọng: khi có bảo vệ bề mặt phù hợp và cách ly catốt/anốt, hợp kim có thể sử dụng trong các môi trường hơi ăn mòn, nhưng trong vùng ngâm liên tục hoặc vùng bắn nước, thép không gỉ hoặc hợp kim 5xxx thường được ưu tiên. Nứt ăn mòn ứng suất là vấn đề thực sự với các loại cứng cao (T6/T651), đặc biệt trong điều kiện ứng suất kéo tồn dư và nồng độ clorua cao; giải pháp thiết kế bao gồm giảm ứng suất kéo, dùng loại cứng thấp hơn hoặc áp dụng hệ thống bảo vệ.

Liên kết galvanic với vật liệu quý hơn (thép không gỉ, hợp kim đồng) có thể làm tăng tốc độ ăn mòn cục bộ của 713; khuyến cáo dùng lớp phủ hy sinh hoặc rào cách điện cho các bộ phận kết hợp nhiều kim loại. So với nhóm 3xxx/5xxx, 713 đánh đổi khả năng chống ăn mòn nội tại thấp hơn để lấy tính chất cơ học vượt trội và cần có kỹ thuật chống ăn mòn toàn hệ thống.

Đặc Tính Gia Công

Khả năng hàn

Hàn hợp kim 713 gặp khó khăn ở các trạng thái cứng cao. Các quy trình hàn thiết yếu như TIG/MIG làm mềm vùng nhiệt ảnh hưởng (HAZ) đáng kể và mất đặc tính đỉnh gần mối hàn, hợp kim dễ bị nứt nóng trừ khi lựa chọn dây hàn và thiết kế mối hàn được tối ưu. Sử dụng dây hàn hợp kim thấp hơn (ví dụ loại tương đương 5356 hoặc 4043 cho nhôm) giảm nguy cơ nứt nhưng mối hàn có cường độ thấp hơn kim loại nền; cần xử lý nhiệt sau hàn và kỹ thuật phục hồi cơ học để khôi phục cấu trúc khi có thể.

Khả năng gia công

Gia công hợp kim 713 ở trạng thái T6/H nhìn chung tốt hơn nhiều loại thép cường độ cao nhưng yêu cầu dụng cụ cắt chắc chắn và có lớp phủ do cường độ cao và xu hướng làm cứng bề mặt trong quá trình cắt. Dụng cụ carbide với góc cắt dương và bộ phá mảnh tối ưu cho hiệu quả, tốc độ cắt vừa phải và bước tiến cao để tránh tạo mũi cắt dư. Bề mặt gia công đạt được có chất lượng rất tốt; tuy nhiên, việc kẹp chặt và định vị phải kiểm soát biến dạng để đảm bảo dung sai kích thước.

Khả năng tạo hình

Gia công tạo hình hiệu quả nhất ở trạng thái O hoặc cứng mềm H; bán kính uốn nên điều chỉnh theo trạng thái cứng và độ dày, tỷ lệ R/t thường lớn hơn ở trạng thái T6. Khả năng tạo hình nguội giảm nhanh khi lão hóa và hàm lượng Cu tăng, vì vậy thiết kế thường tạo hình ở trạng thái mềm rồi thực hiện quy trình nhiệt xử lý dung dịch/lão hóa cuối cùng khi hình học và ứng suất còn cho phép. Hydroforming và stretch-forming là các phương pháp thực tế cho các biên dạng phức tạp khi dùng vật liệu ủ mềm và kiểm soát đường biến dạng.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Hợp kim 713 là hợp kim có thể xử lý nhiệt, có các giai đoạn chuyển đổi điển hình của trạng thái T: xử lý nhiệt dung dịch hòa tan các pha hòa tan và tạo dung dịch rắn quá bão hòa, làm nguội giữ trạng thái này, và lão hóa nhân tạo tạo kết tủa cường độ cao. Nhiệt độ xử lý dung dịch thông thường từ 470–490 °C, sau đó làm nguội nhanh về nhiệt độ phòng để giảm hình thành kết tủa thô.

Lịch trình lão hóa nhân tạo để đạt cường độ đỉnh T6 thường sử dụng nhiệt độ 120–180 °C trong vài giờ; các biến thể tạo trạng thái tương tự T5 hoặc chưa lão hóa đầy đủ giúp cải thiện độ dai va đập và giảm khả năng SCC với một phần giảm cường độ. Biến thể T651 bao gồm kéo căng kiểm soát để giảm ứng suất còn lại sau làm nguội và trước lão hóa, ổn định kích thước ứng dụng cho các cấu kiện kết cấu.

Nếu cần ủ mềm, xử lý nhiệt làm mềm hoàn toàn (trạng thái O) được thực hiện trong khoảng 340–400 °C với làm nguội chậm nhằm tái kết tinh và phục hồi độ dẻo; làm cứng nguội do biến dạng cung cấp phương pháp thay thế không dùng nhiệt cho tăng cường độ vừa phải khi xử lý nhiệt không khả thi.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Cường độ của 713 bắt đầu suy giảm rõ rệt trên khoảng 120–150 °C do sự thay đổi ổn định kết tủa và kết tủa cường độ bị làm thô, làm giảm giới hạn chảy và giới hạn bền kéo. Nhiệt độ làm việc liên tục trên ~150 °C thường tránh sử dụng cho các chi tiết chịu lực trừ khi có chế độ cứng cao nhiệt phát triển riêng biệt. Quá trình oxy hóa trong không khí bị hạn chế bởi lớp oxit nhôm tự nhiên, nhưng nhiệt độ cao đẩy nhanh sự hình thành lớp oxit bề mặt và có thể thay đổi cơ chế khởi đầu nứt mỏi.

Hành vi vùng nhiệt ảnh hưởng (HAZ) dưới nhiệt độ cao cục bộ (hàn) có thể gây ra các vùng mềm và hòa tan kết tủa, yêu cầu xử lý nhiệt sau gia công để phục hồi tính chất cho các chi tiết quan trọng. Khả năng chống biến dạng creep ở nhiệt độ cao hạn chế; trong thiết kế chịu tải nhiệt dài hạn, thường chọn hợp kim nhôm chịu nhiệt hoặc vật liệu thay thế cho các chi tiết cần giữ cường độ cao trên nhiệt độ môi trường.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 713
Ô tô	Càng treo hiệu năng cao, thanh chịu lực kết cấu	Cường độ và độ cứng riêng cao để giảm trọng lượng
Hàng hải	Trục lái, giá đỡ chịu lực cao	Tỷ số sức mạnh trên trọng lượng tốt và khả năng chống ăn mòn hợp lý khi có lớp phủ bảo vệ
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, ray dẫn cánh, chi tiết càng đáp (không phải chi tiết chính)	Cường độ tĩnh và mỏi cao, khả năng gia công tốt
Điện tử	Tấm tản nhiệt và khung kết cấu	Độ dẫn nhiệt tốt kết hợp với cường độ cao hơn

Trong các lĩnh vực này, hợp kim 713 được lựa chọn khi độ cứng và cường độ riêng là yếu tố quyết định thiết kế và có thể áp dụng các chiến lược bảo vệ bề mặt để kiểm soát nguy cơ ăn mòn. Hợp kim đặc biệt hữu ích khi cần gia công và xử lý phụ trợ để tạo ra các chi tiết phức tạp chịu tải.

Gợi Ý Lựa Chọn

Chọn hợp kim 713 khi thiết kế ưu tiên cường độ riêng đỉnh cao và có thể tích hợp quy trình làm cứng theo tuổi cũng như xử lý nhiệt kiểm soát trong sản xuất. Quy định sử dụng trạng thái cứng mềm hơn cho gia công tạo hình và lập kế hoạch lão hóa cuối để đạt hiệu suất cơ học cần thiết.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), hợp kim 713 đánh đổi độ cứng và cường độ cao hơn lấy khả năng dẫn điện thấp hơn và giảm khả năng tạo hình ở trạng thái cứng đỉnh. So với các hợp kim làm cứng nguội phổ biến như 3003 hoặc 5052, 713 đạt cường độ và khả năng chống mỏi cao hơn nhiều nhưng có khả năng chống ăn mòn nội tại thấp hơn và cần xử lý nhiệt. So với các hợp kim xử lý nhiệt như 6061 hoặc 6063, 713 đạt cường độ đỉnh cao hơn ở tỷ trọng tương đương nhưng thường đánh đổi tính dai, khả năng hàn và chịu nứt ăn mòn ứng suất; chọn 713 khi tỷ số cường độ trên trọng lượng quan trọng hơn các yếu tố này.

Tóm Tắt Cuối Cùng

Hợp kim 713 vẫn là lựa chọn nhôm hợp kim cường độ cao có thể xử lý nhiệt giá trị khi yêu cầu hiệu suất cơ học tối đa trên đơn vị khối lượng và quy trình sản xuất có thể kiểm soát tốt xử lý nhiệt, bảo vệ bề mặt và ứng suất tồn dư. Thành phần hóa học được thiết kế cung cấp sự cân bằng mạnh mẽ giữa giới hạn chảy, khả năng gia công và hiệu suất nhiệt khi có giải pháp chống ăn mòn và liên kết toàn hệ thống.