چگالی آلومینیوم 7075 در مقایسه با فولاد: وزن، مدول و طراحی

پاسخ کوتاه: چگالی آلومینیوم 7075 در مقابل فولاد

آلومینیوم 7075 دارای چگالی تقریبی 2.81 g/cm³ است که تقریباً یک سوم چگالی فولاد کربن معمولی تقریباً 7.85 g/cm³ است. همین تفاوت واحد بیشتر ارزش آلیاژ در حمل و نقل و کار هوافضا را به همراه دارد، زیرا به مهندسان اجازه می‌دهد وزن را از یک سازه بدون حذف ظرفیت بار بردارید.

چگالی یک ویژگی مواد ثابت است: با مزاج، عملیات حرارتی یا کار سرد تغییر نمی کند، بنابراین 7075 در شرایط O، T6 و T651 همگی در حدود 2.81 گرم بر سانتی متر مکعب هستند. چیزی که با خلق و خو تغییر می کند قدرت است و قدرت همراه با چگالی چیزی است که اعدادی را ایجاد می کند که طراحان واقعاً با آنها کار می کنند.

از نسبت تراکم به قدرت-به-وزن

تراکم به تنهایی چیزی در مورد عملکرد نمی گوید. معیار مفید، استحکام تقسیم بر چگالی است، و در اینجا خانواده 7xxx به طور غیرعادی قوی است: 7075-T651 به مقاومت کششی نهایی 572 مگاپاسکال و 0.2 درصد استحکام تسلیم انحرافی 503 مگاپاسکال در 2.81 g/cm³ می رسد.

از آنجایی که آلیاژ برای همان حجم تقریباً 2.8 برابر سبک‌تر از فولاد است، یک جزء که صرفاً بر اساس استحکام است، می‌تواند تقریباً سه برابر سبک‌تر شود که در 7075-T651 دوباره طراحی شود. در هوافضا، خودرو و سایر سازه‌های متحرک، که باعث صرفه‌جویی در ترکیبات جرمی می‌شود: وزن ساختاری کمتر ظرفیت بار را افزایش می‌دهد، سوخت سوخت را در هر تن کیلومتر کاهش می‌دهد و بارهایی را که بقیه سازه باید تحمل کند کاهش می‌دهد.

صرفه جویی در وزن در قسمت های مقاوم به سفتی{0}}بزرگترین است، جایی که می توان بخش را تا زمانی که استحکام بر طراحی حاکم شود کاهش داد.

صرفه جویی در وزن در سختی{0}}قطعات مهم کمتر است، زیرا سختی به مدول و هندسه مقطع بستگی دارد تا به استحکام آلیاژ.

حفاظت در برابر خوردگی و طراحی جزئیات خستگی معمولاً محدودیت عملی را در مورد میزان حذف مواد تعیین می کند.

مدول الاستیک و معنای آن برای طراحی

مدول الاستیک آلومینیوم 7075 تقریباً 71 گیگا پاسکال است، مشابه سایر آلیاژهای آلومینیوم اما بسیار کمتر از فولاد. مدول میزان انحراف یک قطعه تحت بار را تعیین می کند، بنابراین یک تیر آلومینیومی با ابعاد یکسان تقریباً سه برابر یک تیر فولادی که همان بار را حمل می کند منحرف می شود. این آلیاژ در اینجا از یک جهت کمک می کند: مدول پایین تر و شکل پذیری مربوطه اجازه خم شدن بی ضرر را می دهد که می تواند انرژی را جذب کرده و رفتار خستگی را بهبود بخشد، که در بدنه هواپیما و ساختار خودرو مفید است.

بنابراین طراحان باید دو سوال را از هم جدا کنند. اگر قطعه با استحکام محدود شود، چگالی کم آلومینیوم یک مزیت مستقیم است. اگر با انحراف، ارتعاش یا کمانش محدود شود، هندسه مقطع باید کار را انجام دهد، زیرا وقتی مدول بر چگالی تقسیم می شود، دو ماده تقریباً برابر می شوند. اقدامات عملی ساده است:

هنگام اضافه کردن سفتی خمشی به جای عرض، عمق را افزایش دهید، زیرا سفتی با مکعب عمق افزایش می یابد.

انحراف، فرکانس طبیعی و حاشیه کمانش را قبل از رها کردن هر طرح کاهش وزن- دوباره بررسی کنید.

تلورانس ها و محافظت از سطح را در یادداشت های طراحی حفظ کنید، زیرا بخش های نازک تر در برابر خوردگی یا ضربه آسیب کمتری می بخشند.

نسبت بازده و ذخیره در برابر تغییر شکل

نسبت تسلیم آلومینیوم 7075، که به عنوان 0.2% استحکام تسلیم افست تقسیم بر استحکام کششی تعریف می‌شود، معمولاً در حالت T651 0.85 - 0.88. است، یعنی قدرت تسلیم 503 مگاپاسکال نزدیک به مقاومت نهایی 572 مگاپاسکال است. مزیت حداقل تغییر شکل دائمی تحت تنش سرویس است. قیمت یک فلات پلاستیکی کوتاه بین عملکرد و شکست است.

دو پیامد برای طراحی به دنبال دارد. ابتدا تنش مجاز باید از روی تسلیم با فاکتور مناسب تنظیم شود نه از استحکام نهایی. دوم، استحکام خستگی در حدود 159 مگاپاسکال و حساسیت بریدگی یک آلیاژ مس-دارای آلیاژ 7xxx باید به عنوان محدودیت های حاکم در هر برنامه با بارگذاری چرخه ای در نظر گرفته شود.

پایداری ملک و دمای سرویس

خواص مکانیکی آلومینیوم 7075 در شرایط عادی سرویس، به ویژه زیر حدود 120 درجه پایدار است. افزودنی‌های متعادل روی، منیزیم و مس همراه با عملیات حرارتی کنترل‌شده، رسوب‌های تقویت‌کننده را در دوره‌های طولانی ثابت نگه می‌دارند و صفحه T651 با کشش باعث کاهش استرس می‌شود که پایداری ابعادی بلندمدت- را بهبود می‌بخشد.

بشقاب و نوار را صاف و خشک و دور از کلریدها نگهداری کنید تا از سوراخ‌های خوردگی که به عنوان محل شروع خستگی عمل می‌کنند جلوگیری کنید.

آندایزینگ، پرایمر یا پوشش تبدیلی را در جایی که قطعه با رطوبت، نمک یا جو صنعتی مواجه می شود، اعمال کنید.

دمای سرویس را کمتر از دمای پیری نگه دارید، زیرا قرار گرفتن در معرض طولانی مدت در دمای بالاتر به آرامی آلیاژ را بیش از حد افزایش می دهد و استحکام را کاهش می دهد.

لبه های برش خورده و جیب های ماشین کاری شده را با محافظتی مشابه سطح اصلی کنترل کنید، زیرا این مکان ها محل شروع حمله هستند.

با استفاده از این روش، استحکام کششی، استحکام تسلیم و مقاومت در برابر خستگی به جای اینکه پس از چند سال کارکرد، جابجا شود، برای کل عمر مفید قطعه قابل پیش بینی باقی می ماند.

سوالات متداول

س: چگالی آلومینیوم 7075 در مقایسه با فولاد چقدر است؟
آلومینیوم 7075 حدود 2.81 گرم در سانتی‌متر مکعب است، در مقابل تقریباً 7.85 گرم در سانتی‌متر مکعب برای فولاد کربنی معمولی، بنابراین حدود یک سوم چگالی آن است و وزن آن تقریباً 2.8 برابر کمتر است.

س: آیا مزاج چگالی 7075 را تغییر می دهد؟
خیر. چگالی توسط ترکیب ثابت می‌شود، بنابراین مزاج O، T6 و T651 همگی در حدود 2.81 گرم بر سانتی‌متر مکعب هستند. مزاج فقط قدرت، سختی و استرس داخلی را تغییر می دهد.

س: چرا چگالی کم در طراحی اهمیت زیادی دارد؟
زیرا استحکام تقسیم بر چگالی تعیین می کند که یک قطعه تحمل بار چقدر می تواند سبک باشد. در استحکام کششی 572 مگاپاسکال و 2.81 گرم بر سانتی‌متر مربع، یک قطعه استحکام-می‌تواند تقریباً سه برابر سبک‌تر از فولاد مشابه خود باشد.

س: آیا 7075 سفت تر از فولاد است؟
خیر. مدول الاستیک آن حدود 71 گیگا پاسکال است، تقریباً یک سوم فولاد در حدود 200 گیگا پاسکال، بنابراین یک بخش یکسان در زیر بار یکسان تقریباً سه برابر منحرف می شود.

س: نسبت بازده آلومینیوم 7075 چقدر است؟
معمولاً 0.85 - 0.88، 0.2٪ استحکام تسلیم افست تقسیم بر استحکام کششی. نسبت تسلیم بالا به معنای تغییر شکل کمی قبل از شکست است، بنابراین خستگی و اثرات بریدگی طراحی را هدایت می کنند.

س: خواص 7075 در طول زمان چقدر پایدار است؟
بسیار پایدار زیر حدود 120 درجه. رسوبات ایجاد شده در طول پیری در جای خود باقی می مانند و صفحه T651 کاهش{2}}تنش ابعاد خود را حفظ می کند، مشروط بر اینکه سطح محافظت شود و دمای سرویس کنترل شود.