Nhôm 8090: Thành phần, Tính chất, Hướng dẫn Độ cứng & Ứng dụng

Tổng Quan Toàn Diện

8090 thuộc dòng hợp kim nhôm 8xxx, một nhóm đặc trưng bởi việc thêm lithium làm nguyên tố hợp kim chính. Các hợp kim này được phát triển nhằm đạt tỷ số bền trên trọng lượng thuận lợi và tăng mô-đun đàn hồi thông qua việc bổ sung Li ở mức đủ cao để giảm mật độ và thay đổi phổ kết tủa so với các hệ Al-Cu/Mg truyền thống.

Nguyên tố hợp kim chính trong 8090 thường bao gồm lithium, đồng và magiê với một lượng nhỏ zirconium và các nguyên tố vi lượng để kiểm soát quá trình tái kết tinh và cấu trúc hạt. Lithium làm giảm mật độ và tăng mô-đun, đồng và magiê cung cấp khả năng xử lý tuổi bằng kết tủa, trong khi zirconium hoặc titanium được thêm vào làm tinh chỉnh hạt và tạo ra quần thể các hạt khuếch tán mịn nhằm ổn định cấu trúc vi mô chống lại quá trình lão hóa quá mức.

8090 là hợp kim xử lý nhiệt được tăng cường độ bền chủ yếu thông qua quá trình xử lý dung dịch, tôi nhanh và lão hóa nhân tạo nhằm tạo ra sự phân tán các kết tủa mịn (thường là các pha intermetallic kiểu T1, δ′ và S tùy theo thành phần hóa học). Hợp kim kết hợp độ bền riêng cao cùng với cải thiện tốc độ phát triển vết nứt mỏi và khả năng chống ăn mòn vừa phải so với nhiều hợp kim 2xxx có độ bền cao, làm cho nó trở nên hấp dẫn trong các ứng dụng yêu cầu tiết kiệm khối lượng và hiệu suất kết cấu cao.

Các ngành công nghiệp điển hình sử dụng 8090 bao gồm kết cấu chính và phụ trong hàng không vũ trụ, vận tải mặt đất hiệu suất cao (nơi trọng lượng là yếu tố quan trọng), và thiết bị chuyên dụng quân sự hoặc không gian. Các kỹ sư lựa chọn 8090 hơn các hợp kim khác khi thiết kế ưu tiên độ bền và độ cứng riêng cao, giảm khối lượng chi tiết, và khả năng chống mỏi mặc dù điều đó đòi hỏi phạm vi xử lý hẹp hơn và kiểm soát ăn mòn kỹ lưỡng hơn.

Các Biến Thể Đo Dày (Temper)

Đo Dày	Cấp độ Bền	Độ Dãn Dài	Khả năng Tạo Hình	Khả năng Hàn	Ghi chú
O	Thấp	Cao (20–30%)	Xuất sắc	Xuất sắc	Hoàn toàn ủ mềm, tốt nhất cho gia công tạo hình và hàn nối
T3	Trung bình-Cao	Trung bình (10–18%)	Tốt	Trung bình	Xử lý dung dịch, làm nguội lạnh, lão hóa tự nhiên; tính chất cân bằng
T4	Trung bình	Trung bình-Cao (12–20%)	Tốt	Trung bình	Xử lý dung dịch và lão hóa tự nhiên; độ bền trung gian
T6	Cao	Thấp-Trung bình (6–12%)	Hạn chế	Khó khăn	Lão hóa nhân tạo đạt đỉnh; độ bền tĩnh phổ biến cao nhất
T8	Cao	Thấp-Trung bình (6–12%)	Hạn chế	Khó khăn	Xử lý dung dịch, làm nguội lạnh và lão hóa nhân tạo để cải thiện độ dai
T86	Cao	Thấp-Trung bình (6–12%)	Hạn chế	Khó khăn	Biến thể của T8 với kiểm soát ổn định nhằm hạn chế thay đổi tính chất
H1x / H2x	Đa dạng	Đa dạng	Đa dạng	Tốt	Các trạng thái làm cứng biến dạng áp dụng lên tấm/trục đùn để đạt hình dạng hoặc cường độ cụ thể

Việc lựa chọn đo dày trong hợp kim 8090 ảnh hưởng mạnh đến hiệu suất tĩnh và chu kỳ do trình tự kết tủa và phân bố hạt khuếch tán nhạy cảm với nhiệt độ và biến dạng. Các đo dày lão hóa đỉnh (T6/T8/T86) cung cấp độ bền kéo và giới hạn chảy cao nhất nhưng đánh đổi với độ dẻo và khả năng tạo hình thấp; các đo dày đã ủ mềm hoặc lão hóa nhẹ được sử dụng khi ưu tiên gia công tạo hình hoặc hàn nối.

Thành Phần Hóa Học

Nguyên Tố	Phạm Vi %	Ghi chú
Si	0.05–0.20	Kiểm soát silic thấp để giảm các pha intermetallic giòn và giữ độ dai
Fe	0.05–0.25	Giữ thấp để tránh các hạt intermetallic thô làm giảm tuổi thọ mỏi
Mn	0.02–0.15	Nguyên tố vi lượng; có thể ảnh hưởng cấu trúc hạt và hành vi ăn mòn
Mg	0.3–1.0	Kết hợp với Cu để thúc đẩy kết tủa tăng cường tuổi
Cu	2.0–3.0	Nguyên tố chính tăng cường độ bền thông qua kết tủa (các pha kiểu T1, θ′)
Zn	0.05–0.50	Giữ thấp; Zn cao hơn thúc đẩy độ bền nhưng tăng nguy cơ nứt ứng suất (SC)
Cr	0.00–0.10	Mức vi lượng để kiểm soát ranh giới hạt và hạn chế tái kết tinh
Ti	0.00–0.10	Thêm vào để tinh chỉnh hạt trong sản phẩm đúc hoặc cán
Li	1.6–2.5	Đặc điểm nổi bật của dòng hợp kim; giảm mật độ và tăng mô-đun
Zr	0.05–0.25	Thêm để tạo hạt Al3Zr mịn giữ cấu trúc hạt con và hạn chế lớn hạt
Khác	Cân bằng Al, vi lượng	Các nguyên tố vi lượng (B, Ca, Sr) sử dụng trong kiểm soát sản xuất; tham khảo thông số nhà cung cấp

Phạm vi nêu trên là cửa sổ sản xuất điển hình và sẽ thay đổi tùy nhà sản xuất và dạng sản phẩm; người dùng phải tham khảo chứng chỉ nguồn gốc để xác định chính xác thành phần hóa học. Lithium và đồng chi phối hiệu suất: Li giảm mật độ và tăng mô-đun trong khi Cu và Mg quyết định phản ứng xử lý tuổi bằng kết tủa; Zr và Ti kiểm soát tái kết tinh và độ ổn định cấu trúc vi mô sau lão hóa.

Tính Chất Cơ Học

Trong tính chất kéo, 8090 cho thấy sự tăng rõ rệt cả giới hạn chảy và giới hạn bền kéo khi lão hóa nhân tạo, trong khi các trạng thái đã ủ mềm vẫn giữ được độ dẻo và khả năng tạo hình đáng kể. Giới hạn chảy trong các đo dày lão hóa đỉnh cao hơn nhiều so với trạng thái đã ủ hoặc lão hóa tự nhiên nhưng kèm theo khả năng làm cứng gia công giảm và giới hạn biến dạng cho phép trước khi nứt chặt hơn.

Độ cứng tương quan chặt chẽ với trạng thái lão hóa và chiều dày do tính nhạy cảm với quá trình làm nguội; các tấm mỏng thường đạt độ bền giữ lại cao hơn sau quá trình nguội và lão hóa so với các bản dày. Khả năng chống mỏi của 8090 thường tốt hơn nhiều hợp kim dòng 2xxx khác ở độ bền tĩnh tương đương nhờ cấu trúc kết tủa và phân tán mịn giúp làm chậm sự khởi đầu và phát triển sớm của vết nứt.

Chiều dày và dạng sản phẩm ảnh hưởng đến cả tính chất cơ học lẫn đo dày có thể đạt được. Các tấm dày và thanh đùn dễ bị làm mềm do quá trình tôi bên trong nên cần xử lý nhiệt điều chỉnh và/hoặc kiểm soát việc già hóa quá mức để đạt tính chất đồng nhất xuyên suốt tiết diện.

Tính Chất	O / Đã Ủ	Đo Dày Chính (ví dụ T6/T8/T86)	Ghi chú
Độ Bền Kéo	160–240 MPa	420–520 MPa	Độ bền đỉnh thay đổi theo thành phần hóa học và chiều dày
Giới Hạn Chảy	60–140 MPa	340–420 MPa	Tỷ số giới hạn chảy/độ bền kéo chặt hơn trong đo dày bền cao
Độ Dãn Dài	18–30%	6–12%	Độ dẻo giảm đáng kể khi độ bền tăng
Độ Cứng (Vickers)	35–50 HV	120–150 HV	Độ cứng tăng tương ứng với sự thay đổi độ bền kéo; phụ thuộc chiều dày

Tính Chất Vật Lý

Tính Chất	Giá Trị	Ghi chú
Mật Độ	~2.62–2.66 g/cm³	Giảm so với các hợp kim nhôm thông thường nhờ hàm lượng Li
Phạm Vi Nhiệt Độ Nóng Chảy	~500–655 °C	Phạm vi solidus–liquidus phụ thuộc nguyên tố hợp kim nhỏ; nhôm nguyên chất ~660 °C
Độ Dẫn Nhiệt	~110–140 W/m·K	Thấp hơn nhôm tinh khiết và một số hợp kim 6xxx; độ dẫn giảm khi thêm các nguyên tố hợp kim
Độ Dẫn Điện	~28–38 % IACS	Giảm do nguyên tố hợp kim và trạng thái kết tủa
Nhiệt Dung Riêng	~0.85–0.92 J/g·K	Tương tự các hợp kim nhôm khác ở nhiệt độ môi trường
Hệ Số Giãn Nở Nhiệt	~21–24 ×10⁻⁶ /K (20–100 °C)	Thấp hơn một số hợp kim nhôm do Li; tốt cho yêu cầu ổn định kích thước khi có chu trình nhiệt

Mật độ thấp hơn của 8090 giúp tiết kiệm khối lượng trực tiếp trong các chi tiết kết cấu và góp phần cải thiện mô-đun riêng. Độ dẫn nhiệt và điện của hợp kim ở mức trung bình so với nhôm tinh khiết; thiết kế cần tính đến độ dẫn nhiệt giảm trong các ứng dụng tản nhiệt. Hệ số giãn nở nhiệt giảm nhẹ cải thiện ổn định kích thước trong các cụm lắp ráp chịu chu trình nhiệt quan trọng.

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	Đồng nhất tốt ở các độ dày mỏng	O, T3, T6, T8	Phổ biến dùng cho lớp vỏ tạo hình và tấm thân máy bay
Phiến	6–50+ mm	Độ bền có thể giảm ở các phần dày do nhạy cảm với quá trình tôi luyện	Biến thể T6, T86	Cần quy trình tôi và lão hóa đặc biệt để đảm bảo đồng nhất
Đùn	Hình dạng phức tạp	Độ bền cao theo phương trục	T3, T6, T8	Dùng cho thanh dẫn cấu trúc, xà; vi cấu trúc kéo dài do đùn
Ống	Độ dày thành 1–25 mm	Tính chất trục tốt	T6, T8	Ống hydroformed được dùng cho khung nhẹ trọng lượng
Thanh/Cây	Φ5–150 mm	Độ dị hướng cơ khí tốt theo chiều dài	T6, T8	Phụ kiện gia công và phôi đinh tán

Quy trình gia công và dạng sản phẩm xác định các tính chất đạt được; chuyển đổi từ đúc sang kim loại cán ít gặp ở hợp kim Al-Li; phần lớn sản phẩm 8090 là dạng cán và đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ trong xử lý dung dịch và tốc độ làm nguội. Sản phẩm mỏng thường đạt độ bền giữ lại cao hơn sau lão hóa nhờ tốc độ làm nguội nhanh hơn, trong khi sản phẩm dày cần chu trình nhiệt được điều chỉnh hoặc xử lý cơ khí sau để đảm bảo tính đồng nhất.

Mác Tương Đương

Tiêu Chuẩn	Mác	Vùng Miền	Ghi Chú
AA	8090	Mỹ	Được các nhà sản xuất lớn Bắc Mỹ công nhận; có biến thể theo nhà cung cấp
EN AW	—	Châu Âu	Không có một mác EN đồng bộ; các hợp kim Al-Li tương tự được sử dụng (tham khảo nhà máy sản xuất)
JIS	—	Nhật Bản	Tồn tại hợp kim Al-Li địa phương; không phổ biến chuẩn JIS tương đương trực tiếp
GB/T	—	Trung Quốc	Tiêu chuẩn Trung Quốc gồm hợp kim Al-Li có thành phần hóa học tương đương nhưng không phải lúc nào cũng tương đương 1:1

Do 8090 là hợp kim Al-Li chuyên dụng, không có mác quốc tế đồng nhất một-một; các nhà sản xuất khu vực thường cung cấp hợp kim với tỷ lệ Li/Cu/Mg khác nhau dưới tên gọi riêng biệt. Kỹ sư cần so sánh thành phần hóa học và phản ứng nhiệt luyện hơn là chỉ dựa vào số hiệu mác để thay thế vật liệu giữa các nhà cung cấp hoặc khu vực.

Khả Năng Chống Ăn Mòn

Trong môi trường khí quyển, 8090 thể hiện khả năng chống ăn mòn tổng quát chấp nhận được, tương đương nhiều hợp kim nhôm gia nhiệt khác khi được xử lý bề mặt đúng cách. Sự có mặt của Li và Cu đòi hỏi chuẩn bị bề mặt và phủ bảo vệ kiểm soát vì đồng có thể thúc đẩy ăn mòn cục bộ trong môi trường ăn mòn mạnh; anode hóa và phủ chuyển đổi hiện đại thường được sử dụng.

Hành vi trong môi trường biển tương đối tốt với cấu trúc được sơn hoặc bịt kín, nhưng 8090 trần trong vùng xịt muối hoặc văng nước sẽ nhạy cảm hơn với ăn mòn lỗ thủng so với một số hợp kim họ 5xxx chứa magiê. Thiết kế đúng để tránh khe hở, kiểm soát ứng suất dư và cách ly kim loại khác loại là rất quan trọng trong ứng dụng ven biển và ngoài khơi.

Nguy cơ nứt ăn mòn ứng suất (SCC) tồn tại ở các độ cứng cao, đặc biệt trong môi trường cung cấp phản ứng cathode hoặc khi tiếp xúc galvanic làm tăng tốc độ tổn thương cục bộ. 8090 nói chung chống SCC tốt hơn một số hợp kim họ 2xxx do phân bố pha kết tủa, nhưng không chống SCC nội tại tốt bằng nhiều hợp kim họ 5xxx; biện pháp thiết kế và xử lý sau hàn là thực hành phổ biến. Tương tác galvanic với thép không gỉ hoặc composite sợi carbon đòi hỏi rào cách điện hoặc anode hi sinh để ngăn ăn mòn tăng tốc.

Tính Chất Gia Công

Khả năng hàn

8090 khó hàn hơn hợp kim nhôm không gia nhiệt do ảnh hưởng của lithium gây rỗ khí trong mối hàn và dễ nứt nóng trong hệ Al-Cu cường độ cao. Hàn nhiệt chảy (GTAW/MIG) có thể thực hiện trên các độ cứng O hoặc overaged với cẩn trọng; tuy nhiên, nhiệt làm ảnh hưởng vùng ảnh hưởng mối hàn làm mất độ cứng và cần sửa chữa hoặc xử lý nhiệt cục bộ sau hàn. Khi cần hàn, nên dùng vật liệu che phủ tương thích thiết kế cho hệ Al-Li hoặc vật liệu hàn Al-Mg ít nhạy cảm, đồng thời quy định quy trình nhiệt-cơ học trước và sau hàn để kiểm soát biến dạng và mất tính chất.

Khả năng gia công

8090 có khả năng gia công tương tự các hợp kim nhôm cường độ cao khác; gia công tốt với dụng cụ carbide nhưng mài mòn hơn hợp kim tinh khiết cao do sự có mặt của pha kết tủa cứng và các hạt hợp kim. Tốc độ cắt đề nghị ở mức vừa phải kèm chiến lược phá vụn phoi hiệu quả; làm mát và thoát phoi quan trọng để tránh tạo bavia và nóng chi tiết. Hình dáng dụng cụ với góc bẻ phoi thuận lợi và tốc độ ăn dao cao, chiều sâu cắt thấp thường cho bề mặt gia công tốt và tuổi thọ dao cao.

Khả năng tạo hình

Gia công 8090 hiệu quả nhất ở các độ cứng tôi đẳng nhiệt hoặc lão hóa nhẹ; hợp kim có khả năng giãn dãn hạn chế ở trạng thái lão hóa đỉnh và dễ nứt nếu biến dạng vượt quá giới hạn dẻo. Bán kính uốn nên lớn ở các độ cứng cao — bán kính uốn tối thiểu thường là vài lần độ dày tấm tùy theo độ cứng và hướng gia công. Khi cần tạo hình nghiêm ngặt, có thể sử dụng giải pháp xử lý dung dịch, tôi nhiệt kiểm soát hoặc phương pháp tạo hình gia đoạn, đồng thời gia công ấm giúp cải thiện dẻo một số hình dạng.

Ứng Xử Xử Lý Nhiệt

8090 là hợp kim gia nhiệt và phản ứng với chu trình xử lý dung dịch và lão hóa nhân tạo tạo ra pha kết tủa mịn, kết tinh. Nhiệt độ xử lý dung dịch phổ biến nằm trong khoảng 500 °C tùy kích thước đoạn cắt và thành phần hóa học; giữ dung dịch và làm nguội nhanh là yếu tố quan trọng để hạn chế tạo pha kết tủa thô và giữ lượng hòa tan cho lão hóa tiếp theo.

Lão hóa nhân tạo thường thực hiện trong khoảng 120–190 °C cho hợp kim Al-Li; tính chất đỉnh đạt được dựa vào lịch trình thời gian-nhiệt độ chính xác (hệ T6/T8) cân bằng giữa tạo pha làm cứng và giữ đủ độ dai & khả năng chống ăn mòn. Có thể dùng quá lão trong một số trường hợp để cải thiện chống nứt ăn mòn ứng suất và độ dai đánh đổi sức bền đỉnh, và các độ cứng ổn định kiểu T86 dùng để duy trì tính chất trong quá trình làm việc.

Gia cường không qua nhiệt luyện không phải là phương pháp chính cho 8090, nhưng biến dạng nguội sau xử lý dung dịch và trước lão hóa (T8) là phương pháp tiêu chuẩn để nâng giới hạn chảy và cải thiện chống mỏi nhờ kích thích kết tủa pha làm cứng.

Hiệu Suất Ở Nhiệt Độ Cao

Phạm vi nhiệt độ sử dụng cho tải trọng của 8090 thường giới hạn ở dưới nhiệt độ lão hóa thông thường; tiếp xúc lâu dài trên ~150–175 °C gây mềm dần và mất sức bền đỉnh. Nhiệt độ cao thúc đẩy kết tủa thô và hòa tan pha kết tinh mịn, làm giảm tính chất tĩnh và mỏi.

Oxy hóa ở nhiệt độ làm việc tối thiểu do nhôm tạo lớp oxit Al2O3 bảo vệ; tuy nhiên môi trường nhiệt độ cao với các chất hóa học ăn mòn có thể phá hủy màng bảo vệ. Vùng ảnh hưởng nhiệt sau hàn dễ bị quá lão và suy giảm do ứng suất dư khi chi tiết tiếp xúc nhiệt độ cao ngắn hạn.

Ứng Dụng

Ngành	Ví Dụ Linh Kiện	Lý Do Sử Dụng 8090
Hàng Không	Vỏ thân, dầm sàn, phụ kiện cấu trúc	Độ bền riêng và độ cứng cao kèm giảm trọng lượng
Hàng Hải	Vỏ thân tàu hiệu suất cao và phụ kiện	Cải thiện tỷ số cường độ trên khối lượng; phù hợp với phủ bảo vệ và cách ly
Hàng Không/Quân Sự	Xà, khung, phụ kiện càng hạ cánh (phụ)	Kháng mỏi và giảm khối lượng cho tải trọng động
Điện Tử	Vỏ cấu trúc nhẹ	Độ bền trên khối lượng tốt và ổn định kích thước

8090 được chọn trong thiết kế nơi mỗi kg giảm đi mang lại lợi thế hiệu suất hệ thống và khi quy trình kiểm soát xử lý cũng như hệ thống hoàn thiện có thể kiểm soát các yếu điểm do môi trường hoặc gia công gây ra.

Gợi Ý Lựa Chọn

Sử dụng 8090 khi giảm khối lượng và độ cứng riêng là yêu cầu chủ đạo, và nhà máy có thể kiểm soát nhiệt luyện, làm nguội và bảo vệ chống ăn mòn. Hợp kim này vượt trội khi kháng mỏi trên đơn vị khối lượng là quan trọng và chi phí mua cũng như gia công cao hơn có thể bù đắp bằng lợi ích hiệu suất.

So với nhôm tinh khiết thương mại (ví dụ 1100), 8090 đánh đổi khả năng dẫn điện/nhiệt và dễ tạo hình để đổi lấy độ bền và mô đun lớn hơn đáng kể. So với các hợp kim làm cứng bằng biến dạng phổ biến (ví dụ 3003 / 5052), 8090 cung cấp độ bền cực đại cao hơn nhiều và kháng nứt mỏi tốt hơn nhưng đòi hỏi bảo vệ chống ăn mòn chặt chẽ hơn và kém linh hoạt tạo hình ở các độ cứng cao. So với các hợp kim gia nhiệt phổ biến (ví dụ 6061 / 6063), 8090 thường đem lại độ bền riêng và mô đun vượt trội dù độ bền cực đại gần như tương đương hoặc thấp hơn đôi chút; lựa chọn 8090 khi trọng lượng và mô đun là yếu tố quyết định và nhà cung cấp có khả năng gia công Al-Li.

Tóm tắt cuối cùng

8090 vẫn giữ được tính ứng dụng cao trong các trường hợp yêu cầu độ bền riêng cao, độ cứng cải thiện và hiệu suất chống mỏi, đòi hỏi kiểm soát quá trình nghiêm ngặt hơn và các biện pháp bảo vệ bề mặt. Khi được sử dụng cùng với lựa chọn nhiệt luyện phù hợp, bảo vệ bề mặt và quy trình gia công chuẩn xác, nó cung cấp giải pháp hiệu quả cho các cấu trúc nhẹ, hiệu suất cao trong ngành hàng không vũ trụ và các ngành công nghiệp nhạy cảm với trọng lượng khác.