Propriedades mecânicas e condutividade elétrica da liga de alumínio 7050

A liga de alumínio 7050 é um tipo de liga Al-Zn-Mg-Cu desenvolvida pela Alcoa Corporation na década de 1970 por meio da regulação do componente da liga de alumínio 7075.

Zn e Mg na liga de alumínio 7050 podem formar um forte efeito de envelhecimento da fase MgZn2, que é a principal fase de fortalecimento da liga de alumínio de alta resistência, melhorando significativamente a resistência da liga de alumínio 7050.

O Cu pode reduzir a diferença de potencial entre os limites dos grãos e as regiões intracristalinas, suprimir sua suscetibilidade à fissuração intergranular e expandir a faixa de temperatura estável das zonas GP, tornando a liga menos propensa ao envelhecimento excessivo.

O Zr tem um bom efeito no aumento da temperatura de recristalização e no refinamento do tamanho do grão da liga, e pode manter a estabilidade de Zn, Mg e Cu na solução sólida, reduzindo significativamente a sensibilidade de têmpera da liga de alumínio 7050.

Atualmente, é difícil alcançar um nível técnico estável de propriedades do material após o tratamento térmico para material de liga de alumínio 7050, e muitas vezes há casos de condutividade elétrica não compatível na produção real.

A condutividade elétrica não pode ser igualada aos fatores de resistência e sensibilidade à corrosão sob tensão.

Portanto, é muito significativo encontrar os fatores que influenciam o processo de tratamento térmico na condutividade elétrica e combinar a condutividade elétrica de peças forjadas com outras propriedades.

Materiais e métodos de teste

(1) Neste artigo, foi utilizado material quadrado de liga de alumínio 7050, e sua composição química padronizada é mostrada na Tabela 1.

Tabela 1 Composição química (fração mássica, %) da liga de alumínio 7050.

(2) Dimensões de forjamento. As dimensões do forjamento e a espessura efetiva são mostradas na Tabela 2.

Tabela 2 Dimensões de forjamento e espessura efetiva.

(3) O sistema de tratamento térmico é mostrado na Tabela 3. A precisão do equipamento utilizado no processo de tratamento térmico é de ±3°C.

Tabela 3 Sistema de tratamento térmico da liga de alumínio 7050 T7452.

Para investigar as questões acima, com base na produção, foram concebidos quatro conjuntos de planos experimentais. O sistema de tratamento térmico do forjamento A e do forjamento B altera a temperatura da solução, enquanto os demais permanecem inalterados; o sistema de tratamento térmico do forjamento B, forjamento C e forjamento D aumenta o tempo de envelhecimento secundário em 2 horas de cada vez, enquanto os demais parâmetros permanecem inalterados.

Resultados Experimentais e Análise

A influência de quatro sistemas de tratamento térmico na condutividade elétrica de peças forjadas.

A condutividade elétrica da liga de alumínio 7050 é afetada principalmente pelo grau de formação de liga, recristalização da matriz e precipitação de solutos na solução sólida durante o tratamento da solução e processo de envelhecimento.

Neste estudo, quatro sistemas de tratamento térmico foram utilizados para tratar os forjados, e a condutividade elétrica foi medida em cinco pontos para cada forjado usando um medidor de condutividade elétrica do tipo correntes parasitas, conforme mostrado na Tabela 4.

Tabela 4 Condutividade elétrica/(mS/m) de quatro grupos de forjados.

Durante o tratamento em solução de ligas de alumínio, ocorrem dois processos principais, que são a dissolução das fases em excesso e a recristalização da matriz. Estes são também os principais fatores que afetam a condutividade elétrica durante o processo de tratamento da solução.

A dissolução das fases em excesso consiste em dissolver o máximo possível os átomos de soluto na matriz, formando uma solução sólida supersaturada, preparando-se para a precipitação da fase de fortalecimento durante o processo de envelhecimento.

A liga de alumínio 7050 possui alto teor de elementos de liga e estrutura interna complexa, com diversos tipos de fases eutéticas na liga, como T(AlZnMgCu), S(Al2CuMg), η(MgZn2) e Al7Cu2Fe.

De acordo com relatos da literatura, a uma temperatura de solução de 471°C, alguma fase T funde parcialmente na matriz, mas ainda há uma pequena quantidade de fase S na matriz; quando a temperatura da solução é 477°C, a fase S ainda pode ser detectada na liga.

Dentro de uma certa faixa, o grau de solução sólida das peças forjadas aumenta com o aumento da temperatura da solução.

Quando a temperatura da solução aumenta de 471°C para 477°C, a estrutura deformada diminui e a estrutura recristalizada aumenta.

Além disso, quanto maior a temperatura da solução, mais rápido aumenta a porcentagem de recristalização da liga, e a influência da recristalização na condutividade elétrica é maior do que a dos átomos de soluto sendo dissolvidos na matriz.

Comparando a condutividade elétrica do forjamento B e do forjamento A, verifica-se que a condutividade elétrica aumenta à medida que a temperatura da solução aumenta de 471°C para 477°C.

Isso ocorre porque quanto maior a temperatura da solução, mais rápido aumenta a porcentagem de recristalização da liga e, neste momento, a influência da recristalização na condutividade elétrica da liga é maior do que a dos átomos de soluto sendo dissolvidos na matriz, resultando em um aumento da condutividade elétrica.

Comparando a condutividade elétrica do forjamento B, do forjamento C e do forjamento D, pode-se descobrir que a condutividade elétrica dos forjados aumenta sequencialmente à medida que o tempo de envelhecimento secundário se prolonga.

Isso ocorre porque o tratamento de envelhecimento é um processo chave de tratamento térmico que controla as propriedades das peças forjadas.

A sequência de precipitação da liga de alumínio 7050 durante o processo de envelhecimento em dois estágios é: solução sólida supersaturada → zonas GP → fase η' → fase η.

Durante o envelhecimento secundário, as zonas GP de maior tamanho transformam-se na fase η', e com o prolongamento do tempo de envelhecimento secundário, o conteúdo das zonas GP diminui, o conteúdo da fase η' aumenta e, ao mesmo tempo, a resistência diminui e a condutividade elétrica aumenta.

O efeito de quatro sistemas de tratamento térmico nas propriedades de tração de peças forjadas à temperatura ambiente.

As propriedades de tração à temperatura ambiente de grandes peças forjadas de liga de alumínio 7050 processadas por quatro sistemas de tratamento térmico são mostradas na Tabela 5.

Tabela 5 Propriedades de tração à temperatura ambiente do forjamento A, forjamento B, forjamento C e forjamento D.

Comparando os dados de tração à temperatura ambiente do forjamento A e do forjamento B, pode-se descobrir que a resistência diminui em cerca de 20MPa à medida que a temperatura da solução aumenta de 471°C para 477°C.

Isto ocorre porque nesta faixa de temperatura o efeito da recristalização domina, e o processo de recristalização não é inteiramente um processo de refinamento de grão.

Como a temperatura de envelhecimento é muito inferior à temperatura de tratamento em solução, a morfologia e a configuração de discordância dos grãos da liga após o tratamento em solução sólida podem mudar fracamente durante o processo de envelhecimento.

Portanto, se a porcentagem de recristalização for alta após o tratamento com solução sólida, a densidade de discordâncias no material diminuirá, resultando em uma diminuição na resistência da liga.

Entre eles, o limite de escoamento transversal do forjado B a uma temperatura de solução de 471 ℃ é muito alto, o que afetará o fator de sensibilidade à corrosão sob tensão do forjamento (resistência ao escoamento longitudinal – 12 × condutividade elétrica).

Geralmente, se o limite de escoamento transversal for superior a 490MPa, o fator de sensibilidade à corrosão sob tensão não é qualificado.

Comparando os dados de tração à temperatura ambiente do forjamento B, do forjamento C e do forjamento D, pode-se descobrir que a resistência dos forjados tende a diminuir à medida que o tempo de envelhecimento secundário se prolonga.

Porém, a resistência do forjamento D já foi levada ao limite, sem margem, facilitando a desqualificação. Durante o processo de envelhecimento secundário, o conteúdo de zonas GP maiores que o tamanho crítico aumenta, formando assim a fase η', e a liga envelhece demais, resultando em uma diminuição na resistência da liga.

A relação entre condutividade elétrica do forjamento, resistência e fator de sensibilidade à corrosão sob tensão.

Como a condutividade elétrica tem as vantagens de testes rápidos, não destrutivos e de fácil medição, ela pode ser usada para estimar algumas propriedades mecânicas da liga na produção real.

Ao resumir os dados de desempenho de processos de produção anteriores, os dados de desempenho de resistência correspondentes à faixa de condutividade elétrica estão resumidos na Tabela 6.

Tabela 6 Resumo dos dados de resistência e condutividade elétrica.

Na Tabela 6, pode-se verificar que existe uma relação de correspondência entre o desempenho do fator de condutividade, resistência e sensibilidade à corrosão sob tensão.

Para peças forjadas com requisitos de alta resistência, a condutividade das peças forjadas pode ser controlada dentro da faixa de 22,5-24,5 mS/m.

Para peças forjadas com requisitos de fator de corrosão sob tensão, a condutividade deve ser controlada dentro da faixa de 22,5-23,5 mS/m. Tanto a resistência quanto os fatores de corrosão sob tensão das peças forjadas podem atender aos requisitos padrão.

Com a extensão do tempo de envelhecimento do segundo estágio na liga de alumínio 7050, a fase de equilíbrio η (MgZn2) precipitada no grão torna-se mais uniforme, e a fase de precipitação no limite do grão torna-se descontínua e grosseira.

A corrosão eletroquímica causada pela diferença de potencial entre o limite do grão e a matriz é reduzida, melhorando assim o desempenho anticorrosivo da liga de alumínio 7050.

À medida que o tempo de envelhecimento do segundo estágio aumenta, a condutividade também aumenta. Portanto, na produção diária, a condutividade ligeiramente mais alta pode ser controlada para atender ao melhor desempenho anticorrosivo das peças forjadas, ao mesmo tempo que atende aos requisitos de resistência.

Embora a correlação entre a condutividade da liga de alumínio e algumas das suas propriedades mecânicas tenha sido descoberta, ainda não está claro qual é a ligação intrínseca de algumas destas correlações.

Portanto, ainda é necessária uma grande quantidade de dados reais de produção para analisar e resumir.

Conclusão

⑴ Quando a temperatura da solução aumenta de 471°C para 477°C, a resistência das peças forjadas diminui e a condutividade aumenta.

⑵ Com a extensão do tempo de envelhecimento do segundo estágio, a resistência das peças forjadas diminui, a condutividade aumenta e o desempenho anti-corrosão anti-descascamento melhora.

⑶ Quando a condutividade é controlada dentro da faixa de 22,5-23,5 mS/m, os requisitos de resistência e fatores sensíveis à corrosão sob tensão dos forjados podem ser atendidos simultaneamente.

⑷ Na produção real, as propriedades mecânicas das peças forjadas podem ser inferidas por sua condutividade.