(1) Características das ligas de alumínio da série 7xxx
As ligas de alumínio da série 7XXx são ligas de alumínio com Zn como o principal elemento de liga e são ligas de alumínio tratáveis termicamente. Quando Mg é adicionado à liga, ela se torna uma liga Al-Zn-Mg. A liga tem boas propriedades de deformação térmica e uma ampla faixa de têmpera. Sob condições adequadas de tratamento térmico, pode obter alta resistência e boas propriedades de soldagem. Geralmente tem boa resistência à corrosão e uma certa tendência à corrosão sob tensão. É uma liga de alumínio soldável de alta resistência. A liga Al-Zn-Mg-Cu é desenvolvida com base na liga Al-Zn-Mg pela adição de Cu. Sua resistência é maior do que a das ligas de alumínio da série 2X. É geralmente chamada de liga de alumínio de ultra-alta resistência. A resistência ao escoamento da liga é próxima da resistência à tração, a relação de resistência ao escoamento é alta e a resistência específica também é alta, mas a plasticidade e a resistência a altas temperaturas são baixas. É adequada para peças estruturais de suporte de carga usadas em temperatura ambiente e abaixo de 120 graus. A liga é fácil de processar e tem boa resistência à corrosão e alta tenacidade. Esta série de ligas é amplamente usada nos campos da aviação e aeroespacial, e se tornou um dos materiais estruturais mais importantes neste campo.
(2) Elementos de liga e elementos de impureza e suas funções
① Liga Al-Zn-Mg Zn e Mg são os principais elementos de liga na liga Al-Zn-Mg, e seu conteúdo geralmente não é superior a 7,5%.
Zn e Mg: À medida que o teor de Zn e Mg na liga aumenta, sua resistência à tração e o efeito do tratamento térmico geralmente aumentam de acordo. A tendência à corrosão sob tensão da liga está relacionada à soma do teor de Zn e Mg. Para ligas com alto Mg e baixo Zn ou alto Zn e baixo Mg, desde que a soma do teor de Zn e Mg não seja maior que 7%, a liga tem boa resistência à corrosão sob tensão. A tendência à trinca de soldagem da liga diminui com o aumento do teor de Mg.
Traços de elementos adicionados em ligas Al-Zn-Mg incluem Mn, Cr, Cu, Zr e Ti, e as principais impurezas incluem Fe e Si.
Mn e Cr: Adicionar Mn e Cr pode melhorar a resistência à corrosão sob tensão da liga. O teor de Mn é 0.2%~
Em {{0}}.4%, o efeito é significativo. O efeito da adição de Cr é maior do que o da adição de Mn. Se Mn e Cr forem adicionados ao mesmo tempo, o efeito de redução da tendência à corrosão sob tensão será melhor. A quantidade apropriada de Cr adicionada é 0.1%~0,2%.
Zr: O Zr pode melhorar significativamente a soldabilidade das ligas A{{0}}Zn-Mg. Quando 0.2% Zr é adicionado à liga AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35, as rachaduras de soldagem são significativamente reduzidas. O Zr também pode aumentar a temperatura final de recristalização da liga. Na liga AlZn4.5Mg1.8Mn0.6, quando o teor de Zr é maior que 0.2%, a temperatura final de recristalização da liga fica acima de 500 graus. Portanto, o material ainda retém sua resistência após a têmpera. Tecido deformado. Adicionar 0,1% a 0,2% de Zr às ligas Al-Zn-Mg contendo Mn também pode melhorar a resistência à corrosão sob tensão da liga, mas o Zr tem um efeito menor que o Cr.
Ti: Adicionar Ti à liga pode refinar o tamanho do grão da liga no estado fundido e melhorar a soldabilidade da liga, mas seu efeito é menor do que o do Zr. Se Ti e Zr forem adicionados ao mesmo tempo, o efeito é melhor. Na liga AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 com um teor de Ti de 0.12%, quando o teor de Zr excede 0.15%, a liga tem boa soldabilidade e alongamento, e pode atingir o mesmo efeito de quando mais de 0.2% de Zr é adicionado sozinho. O Ti também pode aumentar a temperatura de recristalização da liga.
Cu: Adicionar uma pequena quantidade de Cu a ligas Al-Zn-Mg pode melhorar a resistência à corrosão sob tensão e a resistência à tração. No entanto, a soldabilidade da liga é reduzida.
Fe: O Fe pode reduzir a resistência à corrosão e as propriedades mecânicas da liga, especialmente para ligas com alto teor de Mn. Portanto, o teor de Fe deve ser o mais baixo possível, e seu teor deve ser limitado a menos de 0.3%.
Si: O Si pode reduzir a resistência da liga, reduzir ligeiramente o desempenho de flexão e aumentar a tendência de trincas de soldagem. O conteúdo de Si na liga deve ser limitado a menos de 0.3%.
② Liga Al-Zn-Mg-Cu A liga Al-Zn-Mg-Cu é uma liga tratável termicamente. Os principais elementos de fortalecimento são Zn e Mg. O Cu também tem um certo efeito de fortalecimento, mas sua principal função é melhorar a resistência à corrosão do material.
Zn e Mg: Zn e Mg são os principais elementos de fortalecimento. Quando coexistem, eles formam as fases η (MgZn2) e T (Al2Mg2Zn3). A fase η e a fase T têm uma grande solubilidade em AI e mudam drasticamente com o aumento e a queda da temperatura. A solubilidade do MgZn₂ na temperatura eutética é de 28%, que é reduzida para 4%~5% à temperatura ambiente. Tem um forte efeito de fortalecimento do envelhecimento. O aumento no teor de Zn e Mg pode melhorar muito a resistência e a dureza, mas reduzirá a plasticidade, a resistência à corrosão sob tensão e a tenacidade à fratura.
Cu: Quando Zn/Mg é maior que 2,2 e o teor de Cu é maior que Mg, Cu e outros elementos podem produzir uma fase S reforçada (CuMgAlz) para aumentar a resistência da liga, mas no caso oposto, a possibilidade da existência da fase S é muito pequena. Cu pode reduzir a diferença de potencial entre o contorno do grão e o intragranular, e também pode alterar a estrutura da fase precipitada e refinar a fase precipitada do contorno do grão, mas tem pouco efeito na largura da zona de não precipitação do contorno do grão. Pode inibir a tendência de rachaduras intergranulares, melhorando assim a resistência à corrosão sob tensão da liga. No entanto, quando o teor de Cu é maior que 3%, a resistência à corrosão da liga se deteriora. Cu pode aumentar a supersaturação da liga, acelerar o processo de envelhecimento artificial da liga entre 100 e 200 graus C, expandir a faixa de temperatura estável da zona GP e melhorar a resistência à tração, plasticidade e resistência à fadiga. Na faixa onde o teor de Cu não é muito alto, a resistência à fadiga por deformação cíclica e a tenacidade à fratura aumentam com o aumento do teor de Cu, e a taxa de crescimento de trincas é reduzida no meio corrosivo, mas a adição de Cu tem uma tendência a produzir corrosão intergranular e corrosão por pites. O efeito do Cu na tenacidade à fratura está relacionado à razão Zn/Mg. Quando a razão é pequena, quanto maior o teor de Cu, pior a tenacidade; quando a razão é grande, mesmo que o teor de Cu seja alto, a tenacidade ainda é muito boa.
Há também uma pequena quantidade de elementos traço como Mn, Cr, Zr, V, Ti, B na liga. Fe e Si são impurezas prejudiciais na liga, e suas interações são as seguintes.
Mn, Cr: Adicionar uma pequena quantidade de elementos de transição, como Mn e Cr, tem um efeito significativo na estrutura e nas propriedades da liga. Esses elementos podem produzir partículas dispersas durante o recozimento de homogeneização do lingote, evitar a migração de discordâncias e limites de grãos, aumentando assim a temperatura de recristalização, evitando efetivamente o crescimento de grãos, refinando grãos e garantindo que a estrutura permaneça não recristalizada ou parcialmente recristalizada após o trabalho a quente e o tratamento térmico, de modo que a resistência seja melhorada ao mesmo tempo em que tem melhor resistência à corrosão sob tensão. Em termos de melhoria da resistência à corrosão sob tensão, adicionar Cr é melhor do que adicionar Mn.
Zr: Recentemente, tem havido uma tendência de substituir Cr e Mn por Zr. O Zr pode aumentar muito a temperatura de recristalização da liga. Seja deformação a quente ou a frio, a estrutura não recristalizada pode ser obtida após o tratamento térmico. O Zr também pode melhorar a temperabilidade, soldabilidade, tenacidade à fratura, resistência à corrosão sob tensão, etc. da liga. O Zr é um elemento aditivo de traço muito promissor em ligas Al-Zn-Mg-Cu.
Ti e B: Ti e B podem refinar os grãos da liga no estado fundido e aumentar a temperatura de recristalização da liga.
Fe e Si: Fe e Si são impurezas prejudiciais inevitáveis em ligas de alumínio 7XxX, que vêm principalmente de matérias-primas, bem como ferramentas e equipamentos usados em fundição e fundição. Essas impurezas existem principalmente na forma de FeAl duro e quebradiço: e Si livre. Essas impurezas também podem formar compostos grosseiros, como (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) com Mn e Cr. FeAl3 tem o efeito de refinar grãos, mas tem um impacto maior na resistência à corrosão. À medida que o conteúdo da fase insolúvel aumenta, a fração de volume da fase insolúvel também aumenta. Essas segundas fases insolúveis quebrarão e se alongarão durante a deformação, resultando em uma estrutura em faixas, e as partículas são organizadas em uma linha reta ao longo da direção da deformação. Como as partículas de impurezas são distribuídas dentro dos grãos ou nos limites dos grãos, durante a deformação plástica, ocorrem poros em alguns limites da matriz de partículas, resultando em microfissuras, que se tornam a origem de macrofissuras. Além disso, tem uma grande influência na taxa de crescimento de trincas de fadiga. Tem um certo efeito de redução da plasticidade local durante a destruição. O aumento no número de impurezas encurta a distância entre as partículas, reduzindo assim a fluidez da deformação plástica ao redor da ponta da trinca. Como a fase contendo Fe e Si é difícil de dissolver à temperatura ambiente, ela desempenha um papel de entalhe e facilmente se torna uma fonte de trinca, fazendo com que o material se quebre, o que tem um efeito muito adverso no alongamento, especialmente na tenacidade à fratura da liga. Portanto, ao projetar e produzir novas ligas, o conteúdo de Fe e Si é estritamente controlado. Além de usar matérias-primas metálicas de alta pureza, algumas medidas também são tomadas durante o processo de fusão e fundição para evitar que esses dois elementos se misturem à liga.