Nhôm 771: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn nhiệt độ xử lý & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

Alloy 771 thuộc họ hợp kim nhôm dòng 7xxx, chủ yếu là hệ thống nhôm-kẽm-magie(-đồng) được thiết kế để đạt cường độ cao thông qua quá trình tôi luyện kết tủa (precipitation hardening). Thành phần hóa học danh nghĩa của nó nhấn mạnh Zn là thành phần hợp kim chính, bổ sung Mg và Cu để kích thích sự hình thành các pha kết tủa tuổi hóa, với các phụ gia vi lượng Cr, Zr hoặc Ti dùng để tinh chỉnh cấu trúc hạt và kiểm soát tái kết tinh.

Cơ chế tăng cứng cho 771 là tôi luyện nhiệt kết tủa: xử lý hòa tan dung dịch để hòa tan các nguyên tố hòa tan, làm nguội nhanh để giữ lại pha rắn quá bão hòa, sau đó tôi luyện nhân tạo để tạo ra các pha kết tủa mịn và phân tán η (MgZn2) và các pha liên quan nhằm tăng giới hạn chảy và độ bền kéo. Các đặc tính chính bao gồm tỉ số cường độ trên khối lượng cao, khả năng chống ăn mòn bản thân từ trung bình đến kém trừ khi được khử ứng suất hoặc phủ lớp bảo vệ, khả năng hàn hạn chế ở nhiệt độ tôi luyện tối ưu, và khả năng tạo hình ở nhiệt độ thường thấp hơn so với hợp kim dòng 5xxx và 6xxx.

Các ngành công nghiệp tiêu biểu sử dụng 771 là hàng không vũ trụ với các chi tiết lắp đặt chịu tải cao và các chi tiết rèn kết cấu, ô tô hiệu suất cao với các chi tiết kết cấu và phụ kiện hệ thống treo, hàng hải với các phụ kiện chịu lực cao khi có lớp phủ bảo vệ, và thiết bị thể thao chuyên dụng đòi hỏi độ cứng và trọng lượng nhẹ. Các kỹ sư chọn 771 thay vì các hợp kim khác khi thiết kế yêu cầu sự kết hợp giữa cường độ tĩnh cao và khả năng chịu mỏi với ưu tiên giảm khối lượng, chấp nhận các thỏa hiệp trong gia công và quản lý ăn mòn.

Biến Thể Nhiệt Độ Tôi Luyện

Biến Thể	Cấp Độ Cường Độ	Độ Dãn	Khả Năng Tạo Hình	Khả Năng Hàn	Ghi Chú
O	Thấp	Cao	Xuất sắc	Xuất sắc	Ướt mềm hoàn toàn, độ dẻo tối đa để tạo hình
T4	Trung bình	Trung bình	Tốt	Giảm	Tự già hóa sau quá trình làm nguội; cường độ trung gian
T6	Cao	Thấp–Trung bình	Kém–Trung bình	Kém	Xử lý hòa tan + tôi luyện nhân tạo để đạt cường độ cực đại
T73	Trung bình–Cao	Cải thiện	Trung bình	Kém	Quá già hóa nhằm tăng khả năng chống ăn mòn ứng suất (SCC) và ăn mòn
T651	Cao (ổn định)	Thấp–Trung bình	Kém–Trung bình	Kém	Giảm ứng suất bằng phương pháp kéo căng sau T6 để giảm ứng suất dư
H12 / H14	Trung bình	Thấp–Trung bình	Giới hạn	Tốt	Biến thể tôi cứng biến dạng cho tấm với tăng cường cường độ từng bước

Việc lựa chọn biến thể nhiệt độ mạnh mẽ thay đổi phạm vi cơ tính và hành vi gia công của hợp kim. Các biến thể nhiệt độ cực đại như T6 cung cấp cường độ tĩnh và độ bền mỏi tối đa nhưng làm giảm đáng kể độ dãn dài và khả năng uốn, gây khó khăn hơn cho gia công và tạo hình, đồng thời làm tăng nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất.

Các biến thể quá già hóa (như T73 hoặc các biến thể ổn định như T651) đánh đổi một phần cường độ cực đại để cải thiện khả năng chống ăn mòn và độ dai gãy; được sử dụng khi độ bền môi trường hoặc khả năng chống ăn mòn ứng suất quan trọng hơn giới hạn chảy tuyệt đối.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi Chú
Al	Cân bằng	Kim loại chính; phần còn lại sau khi cộng các thành phần hợp kim
Zn	5.5–7.5	Thành phần chính tăng cường tạo pha MgZn2 kết tủa
Mg	1.6–3.0	Kết hợp với Zn để thúc đẩy quá trình tạo kết tủa tuổi; ảnh hưởng đến độ dẻo
Cu	1.0–2.2	Tăng cường độ bền và cải thiện khả năng kháng creep; có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn
Cr	0.05–0.25	Kiểm soát cấu trúc hạt và ức chế tái kết tinh
Ti	0.01–0.15	Chất tinh chỉnh hạt trong đúc và phôi
Fe	≤0.5	Tạp chất tạo các pha intermetallic; kiểm soát để hạn chế giòn
Si	≤0.5	Tạp chất từ quá trình xử lý; giới hạn để tránh pha giòn
Mn	≤0.3	Gia tăng nhẹ cường độ và ảnh hưởng đến khả năng chống ăn mòn
Zr / Khác	0.01–0.25	Thành phần vi hợp kim chọn lọc để kiểm soát hạt và ổn định nhiệt

Sự cân bằng Zn–Mg–Cu kiểm soát chuỗi quá trình kết tủa và kích thước/phân bố các pha tăng cường trong 771. Kẽm và magie quyết định cường độ cực đại thông qua các pha η′/η kết tủa, trong khi đồng tinh chỉnh cấu trúc pha kết tủa và tăng cường độ với sự đánh đổi về độ nhạy tăng lên với ăn mòn cục bộ. Các nguyên tố vi lượng như Cr và Zr hoạt động như chất ức chế tái kết tinh và kiểm soát sự tạo hạt nhân, giúp cải thiện sự ổn định trong quá trình gia công nhiệt cơ và duy trì cấu trúc hạt mịn để tăng độ dai.

Tính Chất Cơ Học

Là một hợp kim dòng 7xxx có thể xử lý nhiệt, 771 thể hiện một phạm vi rộng về tính chất cơ học phụ thuộc vào biến thể nhiệt và độ dày. Ở trạng thái tôi (O), hợp kim có độ dẻo và khả năng tạo hình tốt với giới hạn chảy và độ bền kéo khá thấp, phù hợp cho các quá trình tạo hình nặng và kéo giãn. Ở trạng thái già hóa tối ưu (T6/T651), độ bền kéo và giới hạn chảy tăng mạnh trong khi độ dãn và khả năng uốn giảm; vùng chịu ảnh hưởng nhiệt (HAZ) hoặc vùng hàn sẽ bị mềm hơn trừ khi xử lý nhiệt sau hàn được áp dụng.

Khả năng chịu mỏi của 771 trong các biến thể nhiệt tối ưu thường rất tốt khi cấu trúc vi mô được kiểm soát chặt chẽ và bề mặt được bảo vệ; tuy nhiên, hiệu suất chịu mỏi rất nhạy cảm với các vết ăn mòn và vết gia công trên bề mặt là các điểm khởi đầu nứt. Độ dày ảnh hưởng đến tính chất đạt được: các tiết diện dày khó đạt được sự xử lý hòa tan và làm nguội đều, điều này có thể làm giảm cường độ hiệu quả và tăng dao động tính chất đối với tấm và chi tiết rèn so với tấm mỏng và chi tiết kéo đùn.

Tính Chất	Trạng Thái O/Ướt Mềm	Biến Thể Chính (vd: T6/T651)	Ghi Chú
Độ Bền Kéo	240–320 MPa	540–660 MPa	Cường độ tuổi hóa cực đại điển hình của hợp kim Al-Zn-Mg-Cu cường độ cao
Giới Hạn Chảy	120–210 MPa	470–600 MPa	Tăng đáng kể sau xử lý nhiệt; phụ thuộc độ dày tiết diện
Độ Dãn	12–20%	6–12%	Độ dẻo giảm ở biến thể nhiệt tối ưu; các biến thể cũ hơn (T73) hồi phục phần nào độ dẻo
Độ Cứng	60–90 HB	150–210 HB	Độ cứng tương quan với trạng thái kết tủa và ổn định biến thể nhiệt

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi Chú
Mật Độ	~2.78 g/cm³	Điển hình của hợp kim nhôm cường độ cao; góp phần vào tỉ số cường độ riêng cao
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~480–635 °C	Vùng rắn–lỏng phụ thuộc hợp kim; quá trình nóng chảy mở rộng do các nguyên tố hòa tan
Độ Dẫn Nhiệt	120–150 W/(m·K)	Thấp hơn nhôm tinh khiết do hợp kim; đủ cho nhiều ứng dụng tản nhiệt
Độ Dẫn Điện	~28–40 % IACS	Giảm so với nhôm tinh khiết do tán xạ điện tử từ các nguyên tố hòa tan
Nhiệt Dung Riêng	~0.9 J/(g·K)	Khoảng 900 J/(kg·K); hữu ích trong tính toán thiết kế nhiệt
Hệ Số Giãn Nhiệt Trọng Lượng	~23–24 µm/(m·K)	Mở rộng tuyến tính điển hình gần giống các hợp kim nhôm khác

Mật độ và tính chất nhiệt làm cho 771 hấp dẫn khi cần cường độ cao đi kèm với khả năng dẫn nhiệt vừa phải, như các chi tiết kết cấu nhẹ có thể tản nhiệt. Độ dẫn điện bị giảm so với nhôm tinh khiết và hợp kim dòng 1xxx, do đó 771 hiếm khi được chọn làm vật liệu dẫn điện chính; thay vào đó, nó được lựa chọn khi hiệu suất cơ học theo đơn vị khối lượng là tiêu chí ưu tiên.

Dạng Sản Phẩm

Dạng	Độ Dày/Kích Thước Thông Thường	Đặc Tính Cơ Lực	Độ Cứng Thông Dụng	Ghi Chú
Tấm	0.3–6.0 mm	Có thể sản xuất trong các trạng thái O, T4, T6	O, T4, T6, T73	Tấm mỏng đạt độ già hóa đồng đều và độ bền cao sau xử lý T6
Plate	6–200 mm	Độ bền có thể giảm theo độ dày do giới hạn tôi	O, T6, T651	Plate dày cần phương pháp tôi kiểm soát; dùng cho rèn và kết cấu chịu lực
Tấm đùn (Extrusion)	Tiết diện đến 200 mm	Độ bền theo hướng tốt; tính chất phụ thuộc vào làm nguội	O, T4, T6	Hồ sơ đùn cho phép biên dạng phức tạp với độ cứng tĩnh cao
Ống	Độ dày thành 0.5–25 mm	Độ bền tương tự tấm khi xử lý nhiệt	O, T6	Ống liền hoặc hàn; độ dày thành ảnh hưởng đến phản ứng xử lý nhiệt
Thanh/Que	Đường kính 5–200 mm	Đặc tính ma sát/mài mòn thay đổi theo trạng thái	O, T6	Thanh rèn hoặc cán dùng cho phụ kiện chịu tải cao và bu lông, ốc vít

Quy trình gia công ảnh hưởng mạnh đến vi cấu trúc và tính chất cuối cùng; dạng sản phẩm đúc và rèn khác biệt rõ về kích thước hạt và lượng tạp chất. Tấm và các biên dạng đùn mỏng dễ đạt được trạng thái tôi hòa tan và làm nguội nhanh, cho tính chất T6 ổn định hơn, trong khi các tấm dày và phôi rèn nặng thường phải dùng đồ gá tôi đặc biệt, tôi phân đoạn hoặc điều chỉnh trạng thái để hạn chế ứng suất còn lại và duy trì độ dai va đập.

Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Khu Vực	Ghi Chú
AA	771	USA	Định danh sử dụng trong một số catalog nhà sản xuất; tương ứng với nhóm hợp kim Al-Zn-Mg-Cu có độ bền cao
EN AW	—	Châu Âu	Không có tương đương 1:1 trong danh mục EN; tương đương nhóm EN AW-7075/7010 với thành phần điều chỉnh
JIS	—	Nhật Bản	Hợp kim Al-Zn-Mg-Cu tương tự có độ bền cao tồn tại, nhưng phải so sánh thành phần hóa học để xác định tương đương chính xác
GB/T	—	Trung Quốc	Có mác tương đương trong series Al–Zn–Mg; khác biệt về giới hạn tạp chất và trạng thái xử lý nhiệt

Tham chiếu chéo trực tiếp giữa các tiêu chuẩn quốc gia không phải lúc nào cũng chính xác đối với mác độc quyền hoặc ít phổ biến như 771. Sự khác nhau nhỏ về hàm lượng tạp chất cho phép, thêm phần vi hợp kim (ví dụ Zr so với Ti) và trạng thái nhiệt luyện được quy định có thể làm thay đổi đáng kể độ nhạy nứt ăn mòn ứng suất (SCC) và độ dai va đập. Kỹ sư cần so sánh chi tiết đặc điểm hóa học và trạng thái nhiệt hơn là chỉ dựa vào tên mác khi thay thế nguyên vật liệu giữa các vùng.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong môi trường khí quyển, 771 cho khả năng chống ăn mòn vừa phải khi được phủ sơn, anod hóa hoặc quá lão hóa phù hợp, nhưng bản chất hợp kim này dễ bị ăn mòn cục bộ và pitting hơn so với các dòng hợp kim nhôm-mangan (3xxx) hoặc nhôm-magie (5xxx). Hàm lượng đồng và kẽm cao tăng hoạt động điện hóa hợp kim và tập trung thế điện galvanic, do đó lớp phủ bảo vệ hoặc lớp phủ kim loại phổ biến trong nhiều ứng dụng.

Trong môi trường biển hoặc giàu chloride, 771 đòi hỏi lưu ý đặc biệt: ăn mòn cục bộ và nứt ăn mòn ứng suất (SCC) là nguyên nhân hư hỏng chủ yếu, nhất là ở trạng thái đạt độ bền tối ưu. Các trạng thái quá lão hóa (T73) và xử lý bề mặt bảo vệ giảm rủi ro SCC, nhưng nhà thiết kế thường tránh dùng trạng thái T6 trong môi trường nước mặn hung hãn nếu không có biện pháp bảo vệ hy sinh hoặc hệ thống bảo vệ cathodic.

Tương tác galvanic với kim loại khác gia tăng đối với 771 so với các hợp kim nhôm ít hoạt động hơn do điện thế mạch hở cao hơn; cần cách ly với thép không gỉ hoặc đồng và thiết kế mối ghép cẩn thận. So với hợp kim nhóm 6xxx (vd 6061), 771 có độ bền cao hơn nhưng khả năng chống ăn mòn cơ bản thấp hơn và đòi hỏi nhiều biện pháp bảo vệ hơn khi sử dụng ngoài trời.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

Hàn 771 khá khó khăn ở trạng thái đạt độ bền tối ưu vì vùng ảnh hưởng nhiệt (HAZ) và vùng mối hàn thường xảy ra hòa tan các pha tạo cứng và không phục hồi được độ bền nếu không có xử lý nhiệt sau hàn. Các phương pháp hàn chảy như TIG/MIG có thể thực hiện được nhưng cần dùng hợp kim đắp đặc biệt và thường gây giảm cứng vùng HAZ, giảm tuổi thọ chịu mỏi; loại vật liệu đắp cần cân bằng giữa độ bền và độ dẻo, thường dùng hợp kim Al-Mg hoặc Al-Mg-Si để giảm nguy cơ nứt nóng. Khả năng chống nứt nóng là yếu tố thiết kế quan trọng, đồng thời các xử lý trước và sau hàn và kiểm soát chu trình nhiệt được dùng để giảm ứng suất còn lại và giảm suy giảm độ bền.

Khả năng tiện/gia công cơ khí

771 có khả năng gia công tốt đến rất tốt trong các hợp kim nhôm cường độ cao, thường tương đương với 7075; gia công sạch với dụng cụ và phương pháp làm mát phù hợp. Dụng cụ cacbua được ưu tiên ở tốc độ cắt trung bình đến cao với góc mũi tích cực tạo mảnh ngắn và kiểm soát được; lượng chạy dao cần tối ưu để tránh hiện tượng rung dao và giữ được độ nhẵn bề mặt cũng như tính toàn vẹn bề mặt nhạy cảm với mỏi. Bề mặt và ứng suất nén còn lại do gia công ảnh hưởng mạnh đến khả năng chịu mỏi nên cần kiểm soát thông số kỹ thuật và các bước hoàn thiện.

Khả năng tạo hình

Tạo hình tốt nhất ở trạng thái có độ bền thấp (O hoặc T4) khi độ dẻo lớn nhất; tạo hình nguội mạnh ở trạng thái T6 không được khuyến cáo do giới hạn giãn dài thấp và nguy cơ nứt cao. Bán kính uốn tối thiểu điển hình ở T6 lớn hơn so với các hợp kim thuộc nhóm 5xxx, nhà thiết kế cần tính đến độ hồi vị và có thể cần gia công ủ một phần. Với các hình dạng phức tạp, tạo hình nhiệt hoặc xử lý hòa tan và làm nguội kiểm soát rồi tạo hình gần trạng thái T4 là phương án hợp lý để đạt dạng gần hoàn thiện trước khi già hóa cuối cùng.

Hành Vi Xử Lý Nhiệt

Xử lý hòa tan của 771 được thực hiện ở nhiệt độ thường trong khoảng 470–485 °C, giữ đủ lâu để hòa tan các pha hòa tan và đồng nhất vi cấu trúc. Quá trình làm nguội nhanh từ nhiệt độ này xuống nhiệt độ phòng hoặc bể lạnh là cần thiết để giữ dung dịch rắn quá bão hòa; độ nhạy của tốc độ làm nguội tăng theo độ dày, làm nguội không đủ làm giảm độ bền tối đa có thể đạt được.

Xử lý già hóa nhân tạo ở trạng thái T6 thường thực hiện trong khoảng nhiệt độ 120–160 °C trong vài giờ để tạo phân bố mịn các pha η′, cho độ cứng và giới hạn chảy đạt đỉnh. Các xử lý quá lão hóa (T73 hoặc T7x) dùng nhiệt độ cao hơn hoặc thời gian dài hơn để pha già hóa thô hơn, cải thiện khả năng chống nứt ăn mòn ứng suất và ổn định kích thước nhưng đánh đổi một phần độ bền kéo.

Khi sử dụng hoặc gia công không thể xử lý nhiệt, làm cứng nguội chỉ tăng độ bền hạn chế cho các hợp kim không xử lý nhiệt; do 771 là loại có thể xử lý nhiệt nên làm nguội thường dùng cho thay đổi hình dạng nhỏ hơn thay vì tăng cứng. Ủ hoàn toàn (O) được thực hiện bằng cách nung trên nhiệt độ hòa tan rồi làm nguội có kiểm soát để phục hồi độ dẻo và loại bỏ ứng suất còn lại.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Tiếp xúc nhiệt độ cao làm giảm độ bền do các pha tạo cứng thô đi và hòa tan; 771 mất đáng kể giới hạn chảy và độ bền kéo trên khoảng 120–150 °C. Cho vận hành liên tục, nhiệt độ tối đa khuyến cáo thường giới hạn khoảng 100 °C để giữ tính cơ học và tránh quá lão hóa nhanh.

Hiện tượng oxi hóa rất thấp so với các kim loại phản ứng cao, nhưng màng bề mặt và lớp phủ có thể giảm chất lượng ở nhiệt độ cao; biện pháp bảo vệ và lựa chọn vật liệu phải xem xét chu trình nhiệt thay đổi, có thể gây biến đổi ứng suất còn lại và vùng HAZ sau hàn. Khả năng chống creep ở mức trung bình; đối với chi tiết chịu tải trọng kéo dài ở nhiệt độ cao, nên chọn hợp kim khác hoặc có tính toán thiết kế phù hợp.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Chi Tiết	Lý Do Sử Dụng 771
Ô tô	Cánh tay treo nhẹ, gia cố kết cấu	Tỉ lệ độ bền trên trọng lượng cao giúp giảm khối lượng treo không đàn hồi và cải thiện hiệu suất
Hàng hải	Phụ kiện độ bền cao và vỏ tàu đua	Khi có lớp phủ bảo vệ, cung cấp độ bền cao với trọng lượng chấp nhận được cho tàu hiệu năng cao
Hàng không vũ trụ	Phụ kiện, bộ phận càng hạ cánh, chi tiết rèn	Độ bền kéo và mỏi cao cho các chi tiết kết cấu chính và phụ
Điện tử	Tản nhiệt và thanh gia cứng	Độ dẫn nhiệt tốt kết hợp độ cứng cấu trúc
Đồ thể thao	Khung xe đạp hiệu năng cao, vợt	Kết hợp độ cứng, trọng lượng thấp và khả năng chịu mỏi cho thiết bị thi đấu

Tóm lại, 771 được lựa chọn khi yêu cầu độ bền tĩnh và chống mỏi trên đơn vị khối lượng là yếu tố quyết định, đồng thời các thách thức về ăn mòn và gia công có thể kiểm soát bằng biện pháp bảo vệ, gia công đặc biệt hoặc chọn trạng thái nhiệt phù hợp. Phạm vi ứng dụng tập trung ở những nơi tiết kiệm trọng lượng trực tiếp mang lại lợi thế về hiệu suất hoặc hiệu quả.

Đánh giá Lựa chọn

Đối với các kỹ sư lựa chọn vật liệu, 771 là một lựa chọn thiết kế ưu tiên tỷ lệ cường độ trên trọng lượng và hiệu suất mỏi, đánh đổi bằng khả năng chống ăn mòn bản chất và tính dễ dàng khi ghép nối. Sử dụng 771 khi yêu cầu tiết giảm trọng lượng kết cấu và cường độ tĩnh cao là những ràng buộc chính, đồng thời quá trình sản xuất có thể cung cấp xử lý nhiệt kiểm soát và bảo vệ bề mặt.

So với nhôm tinh khiết thương mại (1100), 771 đánh đổi khả năng dẫn điện thấp hơn và độ tạo hình giảm để đổi lấy cường độ cao hơn nhiều. So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng như 3003 hoặc 5052, 771 cung cấp sự tăng đáng kể về giới hạn chảy và cường độ mỏi nhưng yêu cầu bảo vệ chống ăn mòn kỹ càng hơn và có độ dẻo thấp hơn. So với các hợp kim có thể xử lý nhiệt phổ biến như 6061 hoặc 6063, 771 mang lại cường độ đỉnh cao hơn cho các ứng dụng kết cấu; chọn 771 khi cần cường độ bổ sung và khi thiết kế có thể chấp nhận các quy trình hàn và kiểm soát ăn mòn nghiêm ngặt hơn.

Sử dụng cách tiếp cận thận trọng cho các mối hàn, chọn các trạng thái tôi già cho môi trường ăn mòn, và kiểm chứng hiệu suất qua thử nghiệm mỏi và SCC đối với các chi tiết quan trọng; điều này cân bằng các đặc tính cơ học mạnh mẽ của vật liệu với các nhạy cảm về gia công và môi trường.

Tóm tắt

Hợp kim 771 vẫn giữ vai trò quan trọng khi yêu cầu thiết kế tập trung vào tỷ lệ cường độ trên trọng lượng xuất sắc và hiệu suất mỏi, miễn là những hạn chế về tính hàn và khả năng chống ăn mòn được khắc phục qua lựa chọn trạng thái tôi, hệ thống bảo vệ và quy trình gia công kiểm soát. Khi được quy cách và chế biến đúng chuẩn, 771 cho phép xây dựng các kết cấu nhẹ hiệu suất cao trong các ngành hàng không vũ trụ, ô tô, hàng hải và thể thao đặc thù.