Qu'est-ce que l'alliage d'aluminium 7021 ?
Le 7021 est un alliage d'aluminium de la série 7000 qui utilise le zinc (5,0–6,0 %) comme élément de renforcement principal, soutenu par le magnésium (1,2–1,8 %) et le cuivre (1,2–2,0 %). Il est durci par précipitation — la résistance provient d'un traitement thermique contrôlé, et non d'un écrouissage. L'alliage appartient à la famille Al-Zn-Mg-Cu, le même groupe que le 7075, mais sa composition est ajustée pour un compromis différent : une résistance maximale légèrement inférieure en échange d'une soudabilité nettement meilleure et d'une ténacité raisonnable dans la zone affectée thermiquement.
Cette soudabilité est ce qui distingue le 7021 du reste de la série 7000. La plupart des alliages 7xxx — le 7075 en particulier — sont essentiellement non soudables par les procédés de fusion. Le 7021 a été développé spécifiquement pour les applications où une résistance élevée doit coexister avec la capacité d'assembler des composants par soudage. Le coût en est la résistance à la corrosion : comme tous les alliages d'aluminium riches en zinc, le 7021 nécessite un revêtement protecteur ou une anodisation pour tout service en extérieur ou en environnement humide. Si la pièce doit être soudée et nécessite une résistance de la série 7000, le 7021 est l'un des rares alliages qui rend cette combinaison pratique.
Composition chimique et propriétés mécaniques
Composition chimique
Le profil de résistance de l'alliage est principalement déterminé par le zinc et le magnésium, qui forment des précipités de renforcement lors du vieillissement artificiel. Le cuivre ajoute un effet de durcissement secondaire et améliore la résistance à la corrosion sous contrainte. Le zirconium (0,08–0,18 %) joue un rôle structurel : il élève la température de recristallisation, ce qui aide l'alliage à conserver une structure à grains fins à travers les cycles de traitement thermique et de soudage. Le chrome (0,10–0,25 %) assure un épinglage supplémentaire des joints de grains.
| Élément | Gamme de composition (% en poids) | Rôle |
| Aluminium (Al) | Équilibre (~90,7–93,7) | Métal commun |
| Zinc (Zn) | 5.0–6.0 | Élément de renforcement principal |
| Magnésium (Mg) | 1.2–1.8 | Formateur de précipités ; résistance + corrosion |
| Cuivre (Cu) | 1.2–2.0 | Durcissement secondaire ; résistance à la corrosion sous contrainte |
| Manganèse (Mn) | 0.10–0.40 | Contrôle de la structure du grain |
| Chrome (Cr) | 0.10–0.25 | Stabilisation des joints de grains |
| Zirconium (Zr) | 0.08–0.18 | Augmentation de la température de recristallisation |
| Silicium (Si) | ≤0,40 | Limite d'impuretés |
| Fer (Fe) | ≤0,50 | Limite d'impuretés |
| Titane (Ti) | ≤0,10 | Affineur de grain |
| Autres (chacun) | ≤0,05 | Éléments traces |
| Autres (total) | ≤0,15 | Total des traces |
Propriétés mécaniques (état T6)
Sauf indication contraire, les valeurs ci-dessous concernent le 7021 à l'état T6 — mis en solution et vieilli artificiellement à la résistance maximale. Il s'agit de la condition de référence pour les applications structurelles.
| Propriété | Valeur | Notes |
| Densité | 2,78 g/cm³ | Typique pour la série 7xxx |
| Résistance ultime à la traction | 470 MPa (68 ksi) | Sens longitudinal, température ambiante |
| Limite d'élasticité en traction (décalage de 0,21 TP3T) | 420 MPa (61 ksi) | Valeur déterminante pour la conception des pièces structurelles |
| Allongement à la rupture | ~10% | Sur une longueur de 50 mm |
| Module d'élasticité | 71 GPa (10 300 ksi) | Environ un tiers de celui de l'acier |
| Résistance à la fatigue (5×10⁸ cycles) | ~150 MPa (22 ksi) | Éprouvette lisse, R = −1 |
| Résistance au cisaillement | 270 MPa (39 ksi) | Pertinent pour la conception des assemblages rivetés et boulonnés |
| Dureté | ~120 HB | Charge de 500 kg, bille de 10 mm |
| Conductivité thermique | 150 W/m·K | Modérée ; adéquate pour la plupart des applications structurelles |
| Conductivité électrique | 38 % IACS | Typique pour les alliages riches en zinc |
| Plage de fusion | 510–630 °C | Du solidus au liquidus |
La limite d'élasticité de 420 MPa place le 7021-T6 bien au-dessus du 6061-T6 (276 MPa) et solidement dans la catégorie des aluminiums à haute résistance. L'allongement de 10 % est inférieur à l'allongement typique des alliages 5xxx ou 6xxx, ce qui importe si la pièce nécessite un formage après fabrication — le 7021 à l'état T6 n'est pas un alliage de formage. Le compromis est la résistance contre la ductilité, et pour les applications structurelles où la capacité de charge statique régit la conception, la limite d'élasticité est la valeur déterminante.
Où le 7021 est utilisé
L'avantage déterminant du 7021 est la combinaison résistance + soudabilité. La plupart des applications relèvent de catégories où le 7075 serait le choix évident en termes de résistance, mais où la pièce doit être assemblée par soudage.
1. Ensembles structurels soudés
Les structures de transport soudées — châssis de camions, châssis de remorques, composants ferroviaires — utilisent le 7021 lorsque une résistance élevée et le soudage par fusion sont tous deux requis. La résistance à la fissuration à chaud de l'alliage est nettement supérieure à celle du 7075, ce qui le rend viable pour le MIG et le TIG avec un métal d'apport qualifié de la série 5xxx (5356 ou 5183). Le joint soudé reste l'emplacement déterminant pour la conception.
2. Composants aérospatiaux soudés
Dans l'aérospatiale, le 7021 apparaît dans les sous-ensembles soudés — cadres de conteneurs de fret, ensembles de raidisseurs, supports structurels secondaires — où la non-soudabilité du 7075 imposerait une conception rivetée ou boulonnée qui ajouterait du poids. Ce n'est pas un alliage pour revêtement de fuselage ou longeron d'aile ; ceux-ci restent le domaine du 2024 et du 7075.
3. Fabrication de moules et outillage
Le 7021-T6 est utilisé dans les moules d'injection plastique et l'outillage de moulage par soufflage où la résistance à la compression élevée, la conductivité thermique et l'usinabilité importent. Par rapport aux aciers à moules, l'outillage en aluminium réduit les temps de cycle grâce à un transfert de chaleur plus rapide, et le 7021 offre une meilleure résistance que le 6061 ou le 5083 dans le même rôle.
4. Grues, équipements de levage et fabrication lourde
Les poutres de ponts roulants, les bras de levage et les grandes fabrications structurelles bénéficient de la soudabilité du 7021 lorsque la fixation mécanique seule est impraticable. Le matériau gère mieux les concentrations de contraintes autour des points de fixation soudés que les alternatives de la série 6xxx, à un coût inférieur à celui du titane ou de l'acier pour une résistance équivalente.
Options d'états du 7021
Le 7021 est le plus couramment fourni dans trois états, chacun répondant à une exigence de traitement différente.
| Tempérer | Traitement | UTS (MPa) | Limite d'élasticité (MPa) | Élongation | Meilleur pour | À éviter lorsque |
| T6 | Mis en solution + vieilli artificiellement | 470 | 420 | ~10% | Pièces structurelles générales : résistance telle que fournie sans traitement post-soudage | Formage serré ou cintrage requis après traitement thermique |
| T651 | T6 + détensionnement par traction (1–3 %) | 470 | 420 | ~10% | Composants usinés où les contraintes résiduelles doivent être éliminées avant l'enlèvement de matière | — (fonctionnellement identique au T6 pour la plupart des applications non liées à l'usinage) |
| T62 | Mis en solution + vieilli artificiellement à partir d'un traitement appliqué par l'utilisateur | ~470 | ~420 | ~10% | Pièces qui ont été mises en solution et vieillies en tant qu'ensemble fabriqué plutôt qu'en tant que matière brute | Commande de matière brute — spécifier T6 ou T651 à la place |
T6 : État standard
Le T6 est l'état standard pour la plupart des applications du 7021. Le matériau arrive entièrement vieilli et prêt pour la fabrication — soudage, usinage et assemblage. La limite d'élasticité de 420 MPa est la valeur de conception.
T651 : Détensionné pour l'usinage
Si la pièce doit être fortement usinée — poches profondes, enlèvement de matière asymétrique, tolérances de planéité serrées — le T651 est le meilleur choix. La traction de détensionnement redistribue les contraintes résiduelles de trempe à travers la section transversale, réduisant le gauchissement pendant l'usinage. Les propriétés mécaniques sont identiques au T6 ; le T651 offre une stabilité dimensionnelle, et non une résistance supplémentaire.
Note sur le T62
Le T62 décrit une condition où le fabricant ou l'atelier effectue le traitement de mise en solution et le vieillissement sur un ensemble formé ou fabriqué, plutôt que l'usine livrant le matériau à l'état entièrement vieilli. Le T62 n'est pas une nuance distincte du 7021 — il décrit le parcours de traitement. Lors de la commande de matière brute, spécifier T6 (ou T651 pour les pièces usinées). Le T62 est pertinent si l'on traite thermiquement un ensemble après soudage ou formage pour restaurer la pleine résistance.
7021 vs 7075 vs 6061
Ces trois alliages couvrent les décisions les plus courantes concernant l'aluminium à haute résistance. Le tableau ci-dessous présente les critères de sélection clés.
| Propriété | 7021-T6 | 7075-T6 | 6061-T6 |
| Résistance à la traction (UTS) | 470 MPa | 572 MPa | 310 MPa |
| Limite d'élasticité | 420 MPa | 503 MPa | 276 MPa |
| Élongation | ~10% | ~11% | 12–17% |
| Densité | 2,78 g/cm³ | 2,81 g/cm³ | 2,70 g/cm³ |
| Soudabilité (fusion) | Correcte — nécessite des procédés MIG/TIG qualifiés | Médiocre — non recommandé pour le soudage par fusion | Excellente — tous les procédés courants |
| Résistance à la corrosion | Limitée — nécessite un revêtement ou une anodisation | Limitée — nécessite un revêtement ou un placage | Bonne — utilisable dans de nombreux environnements sans protection |
| Résistance à la fatigue | ~150 MPa | ~160 MPa | ~97 MPa |
| Usinabilité | Très bonne | Bon | Bon |
| Applications typiques | Structures soudées, moules, sous-ensembles aérospatiaux soudés | Composants usinés à haute contrainte, structure de fuselage | Fabrication générale, marine, architecture |
Quand 7021 est le bon choix
La pièce doit être soudée et nécessite la résistance de la série 7000. Le 7075 est essentiellement non soudable — la fissuration à chaud dans la zone de fusion et la perte sévère de résistance dans la ZAT le rendent impraticable pour les assemblages soudés. Le 7021 a été développé pour cette contrainte. Si le soudage est la méthode d'assemblage et que la limite d'élasticité de 276 MPa du 6061 n'est pas suffisante, le 7021 est la progression logique.
Outillage de moulage où la résistance importe plus que ce que le 6061 offre. La limite d'élasticité de 420 MPa du 7021 confère aux outillages d'injection plastique et de moulage par soufflage une pression nominale supérieure à celle des alternatives 6061 ou 5083 à coût comparable.
Quand 7075 ou 6061 est préférable
Résistance maximale sans soudage requis. Le 7075-T6 offre environ 20% de limite d'élasticité en plus que le 7021. Pour les composants structurels usinés, les raccords aéronautiques et les pièces à haute contrainte qui seront boulonnées ou rivetées, le 7075 est le choix le plus résistant. Consultez le guide de l'aluminium 7075 pour les données complètes des propriétés.
Fabrication générale avec une bonne résistance à la corrosion. Le 6061-T6 est soudable, formable, résistant à la corrosion et largement disponible. Pour la fabrication structurelle où une limite d'élasticité de 276 MPa est suffisante et où la simplicité de soudage importe, le 6061 est la norme. Le guide de l'aluminium 6061 couvre le profil complet.
Travailler avec l'aluminium 7021
Usinage
Le 7021 s'usine très bien avec des outils en carbure à des vitesses de broche élevées. La formation des copeaux est propre et le contrôle des copeaux est gérable — meilleur que le 6061 et approximativement comparable au 7075. Si la géométrie de la pièce implique des poches profondes, des coupes asymétriques ou des tolérances de planéité serrées, le T651 doit être spécifié plutôt que le T6 pour éviter le gauchissement dû à la libération des contraintes résiduelles. Pour les opérations au niveau de la tôle — ébavurage, perçage, fraisage léger — le T6 est stable.
Soudage
Le soudage par fusion du 7021 est possible mais nécessite un contrôle de procédé plus rigoureux que les alliages 5xxx ou 6xxx. L'alliage est résistant à la fissuration à chaud par rapport au 7075, mais il n'est pas immunisé. Pratiques clés :
- Métal d'apport. Les métaux d'apport de la série 5xxx — 5356 ou 5183 — sont le choix standard. Ils fournissent une composition de bain de soudure qui résiste à la fissuration de solidification tout en maintenant une résistance de joint acceptable.
- Contrôle de l'apport thermique. La température entre passes doit rester inférieure à 150°C (300°F). Un apport thermique excessif augmente la largeur de la zone affectée thermiquement et la perte de résistance qui en résulte.
- Traitement thermique après soudage. La mise en solution et le revenu peuvent récupérer une partie significative de la perte de résistance de la ZAT, mais cela ajoute un cycle thermique complet à la séquence de fabrication et peut ne pas être pratique pour les grands assemblages. Les soudures doivent être conçues comme l'élément limitant la résistance de la structure, avec des sections dimensionnées en conséquence.
- Soudage par friction-malaxage. Lorsque la géométrie du joint le permet, le soudage par friction-malaxage est le procédé préféré. Il reste en dessous de la température de mise en solution, préservant davantage la résistance du métal de base dans le joint. Cependant, il nécessite un équipement spécialisé et se limite aux joints bout à bout et à recouvrement dans des géométries plates ou cylindriques.
Protection contre la corrosion
La résistance à la corrosion du 7021 est limitée — une propriété qu'il partage avec presque tous les alliages 7xxx. L'aluminium riche en zinc est sensible à la fois à la corrosion générale et à la fissuration par corrosion sous contrainte dans les environnements humides ou contenant des chlorures. Trois stratégies de protection couvrent la plupart des applications :
- Anodisation. L'anodisation à l'acide sulfurique (Type II) crée une barrière d'oxyde contrôlée. Cependant, la teneur élevée en zinc peut produire une couche anodique moins uniforme que sur les alliages 6xxx, et la qualité de l'anodisation varie selon les conditions du bain et le lot d'alliage. L'anodisation dure (Type III) est possible mais peut réduire la durée de vie en fatigue.
- Systèmes de peinture. L'apprêt époxy suivi d'une couche de finition polyuréthane est le système de protection industrielle standard. Pour les applications intérieures ou abritées, un système à couche unique peut suffire. La préparation de surface — conversion chimique (Alodine) ou anodisation mince — est essentielle pour l'adhérence de la peinture.
- Conception du drainage. Les pièges à eau, les interstices et les surfaces horizontales où l'humidité peut s'accumuler doivent être évités. Des choix géométriques simples réduisent le risque de corrosion plus que tout revêtement.
Avantages et limites en un coup d'œil
| Facteur | Avantage | Limitation |
| La force | 470 MPa de résistance à la traction, 420 MPa de limite d'élasticité — dans la catégorie des aluminiums à haute résistance | ~15–18% en dessous du 7075-T6 pour les applications où la limite d'élasticité est déterminante |
| Soudabilité | L'un des alliages 7xxx les plus soudables ; viable avec MIG/TIG qualifiés | Nécessite un contrôle de procédé ; la perte de résistance dans la ZAT est permanente sans traitement thermique après soudage |
| Usinabilité | Très bonne formation des copeaux et finition de surface | Le T651 doit être spécifié pour l'usinage intensif afin d'éviter le gauchissement |
| Résistance à la corrosion | Adéquate avec anodisation ou peinture | L'alliage nu ne convient pas aux services extérieurs non protégés ou marins |
| Fatigue | 150 MPa — solide pour les charges cycliques structurelles | En dessous du 7075 (160 MPa) et du 2024 (140 MPa, mais avec un meilleur comportement en fatigue entaillée) |
| Disponibilité | Produit standard de laminoir sous forme de tôle, barre et profilé | Moins largement stocké que le 6061 ou le 7075 ; confirmer la disponibilité avant de concevoir autour de cet alliage |
| Formabilité | Adéquate pour les profilés d'extrusion | Non adapté au formage à froid ou au cintrage à l'état T6 |
Conclusion
Le 7021 occupe une position étroite mais bien définie dans la série 7000 : il échange environ 15–18% de la résistance maximale du 7075 contre la capacité d'être soudé par fusion, mais la résistance à la corrosion limitée nécessite un traitement de protection et le soudage exige des procédés qualifiés avec le bon métal d'apport et un contrôle thermique. Le 7021 est également moins largement stocké que le 6061 ou le 7075, ce qui rend la confirmation de disponibilité et le support de traitement critiques avant l'engagement de conception.
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Questions fréquemment posées
Qu'est-ce qui distingue le 7021 du 7075 ?
Les deux alliages appartiennent à la même famille Al-Zn-Mg-Cu mais visent des priorités différentes. Le 7075 est conçu pour une résistance maximale (572 MPa de résistance à la traction, 503 MPa de limite d'élasticité en T6) au prix d'être essentiellement non soudable par procédés de fusion. Le 7021 échange environ 15–18% de cette limite d'élasticité contre une soudabilité pratique avec des procédés MIG/TIG qualifiés. Le 7021 est le choix approprié lorsque la pièce doit être soudée ; le 7075 est préféré pour une résistance maximale dans les composants boulonnés, rivetés ou usinés.
Le 7021 peut-il être soudé avec un équipement MIG standard ?
Oui, mais avec des contrôles de procédé qui dépassent la pratique typique des alliages 6xxx ou 5xxx. Les métaux d'apport de la série 5xxx (5356 ou 5183) sont le choix standard ; la température entre passes doit rester inférieure à 150°C, et le joint doit être conçu en anticipant une certaine perte de résistance dans la ZAT. Pour les soudures structurelles critiques, le soudage par friction-malaxage préserve davantage la résistance du joint et doit être évalué si la géométrie de la pièce le permet.
Quelle est la différence entre le 7021-T6 et le 7021-T651 ?
Les propriétés mécaniques sont identiques — 470 MPa de résistance à la traction, 420 MPa de limite d'élasticité, ~10% d'allongement. La différence réside dans une étape d'étirement de relaxation des contraintes (1–3% d'allongement après trempe) appliquée dans le T651. Cela redistribue les contraintes de trempe résiduelles à travers la section transversale et réduit le gauchissement pendant l'usinage. Pour les pièces qui seront fortement usinées — poches profondes, coupes asymétriques, spécifications de planéité serrées — le T651 est le choix le plus sûr. Pour la fabrication générale et le soudage, le T6 est standard.
Comment le 7021 se compare-t-il au 6061 pour la fabrication structurelle ?
Le 7021 offre environ 50% de limite d'élasticité supérieure au 6061-T6 (420 MPa contre 276 MPa). Le compromis est une moins bonne résistance à la corrosion, des exigences de soudage plus exigeantes, un allongement inférieur et un coût de matériau généralement plus élevé. Si l'application peut atteindre son objectif de résistance avec le 6061, la fabrication plus facile et la meilleure résistance à la corrosion en font le choix le plus simple. Le 7021 est le choix approprié lorsque la limite d'élasticité de 276 MPa du 6061 laisse trop peu de marge et que le soudage est toujours requis — si le soudage n'est pas requis, le 7075 peut être la meilleure amélioration de résistance.
Le 7021 nécessite-t-il une protection contre la corrosion en service ?
Oui — pour toute application au-delà des environnements intérieurs secs. Le 7021 nu se corrodera dans des conditions humides, et il est sensible à la fissuration par corrosion sous contrainte sous charge de traction soutenue. L'anodisation à l'acide sulfurique ou un système de peinture complet (conversion chimique + apprêt époxy + couche de finition polyuréthane) est le minimum pour les environnements extérieurs ou industriels. Pour une exposition marine ou chimique, une autre famille d'alliages — 5xxx ou 6xxx — doit être envisagée à la place.
