(1) خصائص سبائك الألومنيوم من سلسلة 7xxx
سبائك الألومنيوم من سلسلة 7XXx هي سبائك ألومنيوم مع الزنك كعنصر سبائك رئيسي وهي سبائك ألومنيوم قابلة للمعالجة الحرارية. عندما يضاف المغنيسيوم إلى السبائك، تصبح سبائك Al-Zn-Mg. تتمتع السبائك بخصائص تشوه حراري جيدة ونطاق إخماد واسع. في ظل ظروف المعالجة الحرارية المناسبة، يمكنها الحصول على قوة عالية وخصائص لحام جيدة. تتمتع عمومًا بمقاومة جيدة للتآكل وميل معين للتآكل الإجهادي. إنها سبائك ألومنيوم عالية القوة قابلة للحام. تم تطوير سبائك Al-Zn-Mg-Cu على أساس سبائك Al-Zn-Mg عن طريق إضافة Cu. قوتها أعلى من سبائك الألومنيوم من سلسلة 2X. يطلق عليها عمومًا سبائك الألومنيوم فائقة القوة. قوة الخضوع للسبائك قريبة من قوة الشد، ونسبة قوة الخضوع عالية، والقوة النوعية عالية أيضًا، ولكن اللدونة وقوة درجات الحرارة العالية منخفضة. إنها مناسبة للأجزاء الهيكلية الحاملة للحمل المستخدمة في درجة حرارة الغرفة وأقل من 120 درجة. تتميز هذه السبائك بسهولة المعالجة ومقاومة التآكل الجيدة والمتانة العالية. تُستخدم هذه السلسلة من السبائك على نطاق واسع في مجالات الطيران والفضاء، وأصبحت واحدة من أهم المواد الهيكلية في هذا المجال.
(2) عناصر السبائك وعناصر الشوائب ووظائفها
① سبيكة Al-Zn-Mg يعتبر الزنك والمغنيسيوم من العناصر الأساسية المستخدمة في صناعة السبائك في سبيكة Al-Zn-Mg، ولا يزيد محتواهما بشكل عام عن 7.5%.
الزنك والمغنيسيوم: مع زيادة محتوى الزنك والمغنيسيوم في السبائك، تزداد عمومًا قوة الشد وتأثير المعالجة الحرارية وفقًا لذلك. يرتبط ميل التآكل الإجهادي للسبائك بمجموع محتوى الزنك والمغنيسيوم. بالنسبة للسبائك ذات المغنيسيوم العالي والزنك المنخفض أو الزنك العالي والمغنيسيوم المنخفض، طالما أن مجموع محتوى الزنك والمغنيسيوم لا يزيد عن 7٪، فإن السبائك تتمتع بمقاومة جيدة للتآكل الإجهادي. ينخفض ميل تشقق اللحام للسبائك مع زيادة محتوى المغنيسيوم.
تشتمل كميات ضئيلة من العناصر المضافة في سبائك الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم على المنغنيز والكروم والنحاس والزركونيوم والتيتانيوم، وتشمل الشوائب الرئيسية الحديد والسيليكون.
المنغنيز والكروم: يمكن أن يؤدي إضافة المنغنيز والكروم إلى تحسين مقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد في السبائك. محتوى المنغنيز هو 0.2%~
عند {{0}}.4%، يكون التأثير كبيرًا. يكون تأثير إضافة الكروم أكبر من إضافة المنغنيز. إذا تمت إضافة المنغنيز والكروم في نفس الوقت، فسيكون تأثير تقليل ميل التآكل الإجهادي أفضل. الكمية المناسبة من الكروم المضافة هي 0.1%~0.2%.
Zr: يمكن أن يحسن الزركونيوم قابلية اللحام لسبائك A{{0}}Zn-Mg بشكل كبير. عند إضافة 0.2% Zr إلى سبيكة AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35، يتم تقليل شقوق اللحام بشكل كبير. يمكن أن يزيد الزركونيوم أيضًا من درجة حرارة إعادة التبلور النهائية للسبائك. في سبيكة AlZn4.5Mg1.8Mn0.6، عندما يكون محتوى الزركونيوم أعلى من 0.2%، تكون درجة حرارة إعادة التبلور النهائية للسبائك أعلى من 500 درجة. لذلك، لا تزال المادة تحتفظ بقوتها بعد الإخماد. الأنسجة المشوهة. يمكن أن يؤدي إضافة 0.1% إلى 0.2% Zr إلى سبائك Al-Zn-Mg المحتوية على Mn أيضًا إلى تحسين مقاومة التآكل الإجهادي للسبائك، لكن الزركونيوم له تأثير أقل من الكروم.
Ti: يمكن أن يؤدي إضافة Ti إلى السبائك إلى تحسين حجم حبيبات السبائك في حالة الصب وتحسين قابلية اللحام للسبائك، ولكن تأثيره أقل من تأثير Zr. إذا تمت إضافة Ti و Zr في نفس الوقت، يكون التأثير أفضل. في سبيكة AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 بمحتوى Ti بنسبة 0.12٪، عندما يتجاوز محتوى Zr 0.15٪، تتمتع السبائك بقابلية لحام واستطالة جيدة، ويمكن تحقيق نفس التأثير كما هو الحال عندما يتم إضافة أكثر من 0.2٪ Zr بمفرده. يمكن أن يزيد Ti أيضًا من درجة حرارة إعادة تبلور السبائك.
النحاس: إن إضافة كمية صغيرة من النحاس إلى سبائك الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم يمكن أن يحسن من مقاومة التآكل الناتج عن الإجهاد وقوة الشد. ومع ذلك، تقل قابلية اللحام للسبائك.
Fe: يمكن أن يقلل Fe من مقاومة التآكل والخصائص الميكانيكية للسبائك، وخاصة بالنسبة للسبائك ذات المحتوى العالي من المنغنيز. لذلك، يجب أن يكون محتوى Fe منخفضًا قدر الإمكان، ويجب أن يقتصر محتواه على أقل من 0.3%.
السيليكون: يمكن أن يقلل السيليكون من قوة السبائك، ويقلل قليلاً من أداء الانحناء، ويزيد من ميل الشقوق في اللحام. يجب أن يقتصر محتوى السيليكون في السبائك على أقل من 0.3%.
② سبيكة Al-Zn-Mg-Cu سبيكة Al-Zn-Mg-Cu هي سبيكة قابلة للمعالجة بالحرارة. عناصر التعزيز الرئيسية هي Zn وMg. يتمتع Cu أيضًا بتأثير تقوية معين، لكن وظيفته الرئيسية هي تحسين مقاومة التآكل للمادة.
Zn و Mg: Zn و Mg هما عنصرا التقوية الرئيسيان. عندما يتعايشان، سيشكلان طور η (MgZn2) و طور T (Al2Mg2Zn3). يتمتع طور η و طور T بذوبان كبير في AI ويتغيران بشكل كبير مع ارتفاع وانخفاض درجة الحرارة. تبلغ قابلية ذوبان MgZn2 عند درجة حرارة الانصهار 28٪، والتي تنخفض إلى 4٪ ~ 5٪ في درجة حرارة الغرفة. لها تأثير تقوية قوي للشيخوخة. يمكن أن تؤدي زيادة محتوى Zn و Mg إلى تحسين القوة والصلابة بشكل كبير، ولكنها ستقلل من اللدونة ومقاومة التآكل الإجهادي ومتانة الكسر.
Cu: عندما يكون Zn/Mg أكبر من 2.2 ومحتوى Cu أكبر من Mg، يمكن لـ Cu والعناصر الأخرى إنتاج طور S معزز (CuMgAlz) لزيادة قوة السبائك، ولكن في الحالة المعاكسة، فإن احتمال وجود طور S صغير جدًا. يمكن لـ Cu تقليل فرق الجهد بين حدود الحبوب والحبيبات الداخلية، ويمكنه أيضًا تغيير بنية طور الرواسب وتحسين طور رواسب حدود الحبوب، ولكن له تأثير ضئيل على عرض منطقة عدم الترسيب لحدود الحبوب. يمكنه تثبيط ميل التشقق بين الحبيبات، وبالتالي تحسين مقاومة التآكل الإجهادي للسبائك. ومع ذلك، عندما يكون محتوى Cu أكبر من 3٪، تتدهور مقاومة التآكل للسبائك. يمكن لـ Cu زيادة التشبع الفائق للسبائك، وتسريع عملية الشيخوخة الاصطناعية للسبائك بين 100 و 200 درجة مئوية، وتوسيع نطاق درجة الحرارة المستقرة لمنطقة GP، وتحسين قوة الشد والمرونة وقوة التعب. في النطاق الذي لا يكون فيه محتوى النحاس مرتفعًا جدًا، تزداد مقاومة الإجهاد الدوري والتعب وصلابة الكسر مع زيادة محتوى النحاس، وينخفض معدل نمو الشقوق في الوسط التآكلي، ولكن إضافة النحاس تميل إلى إنتاج تآكل بين الحبيبات وتآكل الحفر. يرتبط تأثير النحاس على صلابة الكسر بنسبة الزنك / المغنيسيوم. عندما تكون النسبة صغيرة، كلما زاد محتوى النحاس، كانت الصلابة أسوأ؛ عندما تكون النسبة كبيرة، حتى لو كان محتوى النحاس مرتفعًا، فإن الصلابة لا تزال جيدة جدًا.
كما يوجد في السبائك أيضًا كمية صغيرة من العناصر النزرة مثل المنغنيز والكروم والزركونيوم والخامس والتيتانيوم والبورون، كما أن الحديد والسيليكون من الشوائب الضارة في السبائك، وتفاعلاتهما هي كما يلي.
Mn, Cr: إن إضافة كمية صغيرة من العناصر الانتقالية مثل Mn وCr لها تأثير كبير على بنية وخصائص السبائك. يمكن لهذه العناصر إنتاج جزيئات متفرقة أثناء عملية التلدين المتجانس للسبائك، ومنع هجرة الخلع وحدود الحبوب، وبالتالي زيادة درجة حرارة إعادة التبلور، ومنع نمو الحبوب بشكل فعال، وتكرير الحبوب، وضمان بقاء البنية غير متبلورة أو متبلورة جزئيًا بعد العمل الساخن والمعالجة الحرارية، بحيث تتحسن القوة مع وجود مقاومة أفضل للتآكل الإجهادي. من حيث تحسين مقاومة التآكل الإجهادي، فإن إضافة Cr أفضل من إضافة Mn.
الزركونيوم: في الآونة الأخيرة، كان هناك اتجاه لاستبدال الكروم والمنجنيز بالزركونيوم. يمكن للزركونيوم زيادة درجة حرارة إعادة تبلور السبائك بشكل كبير. سواء كان التشوه ساخنًا أو باردًا، يمكن الحصول على بنية غير متبلورة بعد المعالجة الحرارية. يمكن للزركونيوم أيضًا تحسين قابلية الصلابة للسبائك وقابليتها للتلحيم ومتانة الكسر ومقاومة التآكل الإجهادي وما إلى ذلك. الزركونيوم هو عنصر مضاف أثري واعد للغاية في سبائك الألومنيوم والزنك والمغنيسيوم والنحاس.
Ti وB: يمكن لـ Ti وB تنقية حبيبات السبائك في الحالة المصبوبة وزيادة درجة حرارة إعادة تبلور السبائك.
Fe وSi: Fe وSi عبارة عن شوائب ضارة لا يمكن تجنبها في سبائك الألومنيوم 7XxX، والتي تأتي بشكل أساسي من المواد الخام، بالإضافة إلى الأدوات والمعدات المستخدمة في الصهر والصب. توجد هذه الشوائب بشكل أساسي في شكل FeAl: صلب وهش وSi حر. يمكن أن تشكل هذه الشوائب أيضًا مركبات خشنة مثل (FeMn)Als و(FeMn)Si2Als وAl(FeMnCr) مع Mn وCr. يكون لـ FeAl3 تأثير تنقية الحبوب، ولكن له تأثير أكبر على مقاومة التآكل. مع زيادة محتوى الطور غير القابل للذوبان، تزداد أيضًا النسبة الحجمية للطور غير القابل للذوبان. سوف تنكسر هذه المراحل الثانية غير القابلة للذوبان وتستطيل أثناء التشوه، مما ينتج عنه بنية مخططة، ويتم ترتيب الجسيمات في خط مستقيم على طول اتجاه التشوه. نظرًا لأن جزيئات الشوائب موزعة داخل الحبوب أو على حدود الحبوب، أثناء التشوه البلاستيكي، تحدث مسام على بعض حدود الجسيمات والمصفوفة، مما يؤدي إلى تشققات دقيقة، والتي تصبح أصل الشقوق الكبيرة. بالإضافة إلى ذلك، لها تأثير كبير على معدل نمو شقوق التعب. لها تأثير معين في تقليل اللدونة المحلية أثناء التدمير. تؤدي الزيادة في عدد الشوائب إلى تقصير المسافة بين الجسيمات، وبالتالي تقليل سيولة التشوه البلاستيكي حول طرف الشق. نظرًا لأن الطور المحتوي على Fe وSi يصعب إذابته في درجة حرارة الغرفة، فإنه يلعب دور الشق ويصبح بسهولة مصدرًا للشقوق، مما يتسبب في كسر المادة، مما له تأثير سلبي للغاية على الاستطالة، وخاصة صلابة كسر السبائك. لذلك، عند تصميم وإنتاج سبائك جديدة، يتم التحكم في محتوى Fe وSi بشكل صارم. بالإضافة إلى استخدام المواد الخام المعدنية عالية النقاء، يتم أيضًا اتخاذ بعض التدابير أثناء عملية الصهر والصب لمنع هذين العنصرين من الاختلاط في السبائك.