Σύντομη απάντηση: η πυκνότητα του αλουμινίου 7075 έναντι του χάλυβα
Το αλουμίνιο 7075 έχει πυκνότητα περίπου 2,81 g/cm³, που είναι περίπου το ένα τρίτο της πυκνότητας του τυπικού ανθρακούχου χάλυβα σε περίπου 7,85 g/cm³. Αυτή η μοναδική διαφορά οδηγεί το μεγαλύτερο μέρος της αξίας του κράματος στις μεταφορές και τις αεροδιαστημικές εργασίες, επειδή επιτρέπει στους μηχανικούς να αφαιρέσουν το βάρος από μια κατασκευή χωρίς να αφαιρέσουν την ικανότητα φόρτωσης.
Η πυκνότητα είναι μια σταθερή ιδιότητα του υλικού: δεν αλλάζει με την ιδιοσυγκρασία, τη θερμική επεξεργασία ή την ψυχρή εργασία, επομένως το 7075 στις συνθήκες O, T6 και T651 είναι περίπου 2,81 g/cm³. Αυτό που αλλάζει με την ιδιοσυγκρασία είναι η δύναμη και η δύναμη σε συνδυασμό με την πυκνότητα είναι αυτό που παράγει τους αριθμούς με τους οποίους πραγματικά δουλεύουν οι σχεδιαστές.
| Ιδιοκτησία | 7075 αλουμίνιο | Τυπικός ανθρακούχο χάλυβα |
|---|---|---|
| Πυκνότητα | 2,81 g/cm³ (0,102 lb/in³) | 7,85 g/cm³ (0,284 lb/in³) |
| Σχετικό βάρος για τον ίδιο όγκο | 1.00 | 2.79 |
| Συντελεστής ελαστικότητας | περίπου 71 GPa | περίπου 200 GPa |
| Θέση δύναμης-έως-βάρους | Πολύ ψηλά στην οικογένεια Τ6 | Εξαρτάται από το βαθμό και το τμήμα |
Από την Πυκνότητα στη Δύναμη-σε-Αναλογία βάρους
Η πυκνότητα από μόνη της δεν λέει τίποτα για την απόδοση. Το χρήσιμο μέτρο είναι η αντοχή διαιρούμενη με την πυκνότητα και εδώ η οικογένεια 7xxx είναι ασυνήθιστα ισχυρή: το 7075-T651 φτάνει σε τελική αντοχή εφελκυσμού 572 MPa και 0,2% αντοχή διαρροής μετατόπισης 503 MPa στα 2,81 g/cm³.
Επειδή το κράμα είναι περίπου 2,8 φορές ελαφρύτερο από το ατσάλι για τον ίδιο όγκο, ένα εξάρτημα με μέγεθος καθαρά λόγω αντοχής μπορεί να γίνει περίπου τρεις φορές ελαφρύτερο όταν επανασχεδιαστεί στο 7075-T651. Στην αεροδιαστημική, την αυτοκινητοβιομηχανία και άλλες κινούμενες κατασκευές, που εξοικονόμησαν ενώσεις μάζας: το χαμηλότερο δομικό βάρος αυξάνει την ικανότητα ωφέλιμου φορτίου, μειώνει την καύση καυσίμου ανά τονοχιλιομετρικό και μειώνει τα φορτία που πρέπει να φέρει η υπόλοιπη κατασκευή.
Η εξοικονόμηση βάρους είναι η μεγαλύτερη στα ανεκτικά εξαρτήματα-στις ακαμψία, όπου το τμήμα μπορεί να μειωθεί έως ότου η αντοχή διέπει τη σχεδίαση.
Η εξοικονόμηση βάρους είναι η μικρότερη σε ακαμψία-κρίσιμα μέρη, επειδή η ακαμψία εξαρτάται από το μέτρο και τη γεωμετρία διατομής παρά από την αντοχή του κράματος.
Η αντιδιαβρωτική προστασία και η σχεδίαση λεπτομερειών από κόπωση συνήθως θέτουν το πρακτικό όριο για το πόσο υλικό μπορεί να αφαιρεθεί.
Μέτρο ελαστικότητας και τι σημαίνει για το σχεδιασμό
Ο συντελεστής ελαστικότητας του αλουμινίου 7075 είναι περίπου 71 GPa, παρόμοιος με άλλα κράματα αλουμινίου αλλά πολύ κάτω από τον χάλυβα. Το μέτρο καθορίζει πόσο εκτρέπεται ένα εξάρτημα υπό φορτίο, επομένως μια δοκός αλουμινίου ίδιων διαστάσεων εκτρέπεται περίπου τρεις φορές περισσότερο από μια δοκό χάλυβα που φέρει το ίδιο φορτίο. Το κράμα βοηθά εδώ από μία άποψη: ο χαμηλότερος συντελεστής και η σχετική ολκιμότητα επιτρέπουν αβλαβή κάμψη που μπορεί να απορροφήσει ενέργεια και να βελτιώσει τη συμπεριφορά κόπωσης, κάτι που είναι χρήσιμο σε σκελετά αεροσκαφών και δομές οχημάτων.
Οι σχεδιαστές πρέπει επομένως να διαχωρίσουν δύο ερωτήσεις. Εάν το εξάρτημα περιορίζεται από αντοχή, η χαμηλή πυκνότητα του αλουμινίου είναι ένα άμεσο πλεονέκτημα. Εάν περιορίζεται από εκτροπή, δόνηση ή λυγισμό, η γεωμετρία τομής πρέπει να κάνει τη δουλειά, γιατί όταν το μέτρο διαιρείται με την πυκνότητα τα δύο υλικά βγαίνουν σχεδόν ίσα. Οι πρακτικές ενέργειες είναι απλές:
Αυξήστε το βάθος παρά το πλάτος όταν προσθέτετε ακαμψία κάμψης, καθώς η ακαμψία αυξάνεται με τον κύβο βάθους.
Ελέγξτε ξανά την εκτροπή, τη φυσική συχνότητα και τα περιθώρια λυγισμού πριν απελευθερώσετε οποιοδήποτε σχέδιο με μειωμένο βάρος-.
Διατηρήστε τις ανοχές και την προστασία της επιφάνειας στις σημειώσεις σχεδίασης, επειδή τα λεπτότερα τμήματα είναι λιγότερο επιεικά από τη διάβρωση ή τη ζημιά από κρούση.
Αναλογία απόδοσης και αποθεματικό κατά της παραμόρφωσης
Η αναλογία διαρροής του αλουμινίου 7075, που ορίζεται ως η ισχύς διαρροής μετατόπισης 0,2% διαιρεμένη με την αντοχή εφελκυσμού, είναι συνήθως 0.85 - 0.88. Στη θερμοκρασία T651 που σημαίνει ότι η αντοχή διαρροής των 503 MPa βρίσκεται κοντά στην τελική αντοχή των 572 MPa. Το πλεονέκτημα είναι η ελάχιστη μόνιμη παραμόρφωση υπό πίεση λειτουργίας. η τιμή είναι ένα κοντό πλαστικό πλατό μεταξύ απόδοσης και θραύσης.
Δύο συνέπειες ακολουθούν για το σχεδιασμό. Πρώτον, η επιτρεπόμενη τάση θα πρέπει να ρυθμίζεται από την απόδοση με επαρκή συντελεστή, όχι από την τελική αντοχή. Δεύτερον, η αντοχή σε κόπωση περίπου 159 MPa και η ευαισθησία στην εγκοπή ενός κράματος χαλκού-που φέρει 7xxx θα πρέπει να αντιμετωπίζονται ως ισχύοντα όρια σε οποιαδήποτε εφαρμογή με κυκλική φόρτιση.
Σταθερότητα ακινήτου και θερμοκρασία σέρβις
Οι μηχανικές ιδιότητες του αλουμινίου 7075 είναι σταθερές υπό κανονικές συνθήκες λειτουργίας, ιδιαίτερα κάτω από περίπου 120 βαθμούς. Οι ισορροπημένες προσθήκες ψευδαργύρου, μαγνησίου και χαλκού μαζί με την ελεγχόμενη θερμική επεξεργασία διατηρούν τα ιζήματα ενίσχυσης σταθερά για μεγάλα χρονικά διαστήματα και η πλάκα T651 προσθέτει ανακούφιση από το στρες με τέντωμα που βελτιώνει τη μακροπρόθεσμη- σταθερότητα των διαστάσεων.
Αποθηκεύστε την πλάκα και τη ράβδο επίπεδη και στεγνή, μακριά από χλωριούχα, για να αποτρέψετε τα κοιλώματα διάβρωσης που λειτουργούν ως σημεία έναρξης κόπωσης.
Εφαρμόστε ανοδίωση, αστάρι ή επίστρωση μετατροπής όπου το εξάρτημα συναντά υγρασία, αλάτι ή βιομηχανικές ατμόσφαιρες.
Διατηρήστε τη θερμοκρασία συντήρησης κάτω από τη θερμοκρασία γήρανσης, καθώς η παρατεταμένη έκθεση σε υψηλότερη θερμοκρασία υπερβαίνει αργά το κράμα και μειώνει την αντοχή.
Χειριστείτε τις κομμένες άκρες και τις επεξεργασμένες τσέπες με την ίδια προστασία με την κύρια επιφάνεια, επειδή αυτές είναι οι θέσεις όπου αρχίζει η επίθεση.
Εφαρμόζοντας με αυτόν τον τρόπο, η αντοχή σε εφελκυσμό, η αντοχή στη διαρροή και η αντοχή στην κόπωση παραμένουν προβλέψιμα για όλη τη διάρκεια ζωής του εξαρτήματος αντί να παρασύρονται μετά από μερικά χρόνια λειτουργίας.
Συχνές Ερωτήσεις
Ε: Ποια είναι η πυκνότητα του αλουμινίου 7075 σε σύγκριση με τον χάλυβα;
Το αλουμίνιο 7075 είναι περίπου 2,81 g/cm³, έναντι περίπου 7,85 g/cm³ για τον τυπικό ανθρακούχο χάλυβα, επομένως είναι περίπου το ένα τρίτο της πυκνότητας και ο ίδιος όγκος ζυγίζει περίπου 2,8 φορές λιγότερο.
Ε: Αλλάζει η ιδιοσυγκρασία την πυκνότητα του 7075;
Όχι. Η πυκνότητα καθορίζεται από τη σύνθεση, έτσι ώστε οι ιδιοσυγκρασίες O, T6 και T651 να είναι περίπου 2,81 g/cm³. Η ιδιοσυγκρασία αλλάζει μόνο τη δύναμη, τη σκληρότητα και την εσωτερική καταπόνηση.
Ε: Γιατί η χαμηλή πυκνότητα έχει τόση σημασία στο σχεδιασμό;
Επειδή η ισχύς διαιρούμενη με την πυκνότητα καθορίζει πόσο ελαφρύ μπορεί να είναι ένα μέρος που φέρει-το φορτίο. Με αντοχή εφελκυσμού 572 MPa και 2,81 g/cm³, ένα εξάρτημα μεγέθους-δύναμης μπορεί να είναι περίπου τρεις φορές ελαφρύτερο από το ισοδύναμο του χάλυβα.
Ε: Είναι το 7075 πιο άκαμπτο από το ατσάλι;
Όχι. Ο συντελεστής ελαστικότητάς του είναι περίπου 71 GPa, περίπου το ένα τρίτο του χάλυβα στα 200 GPa περίπου, επομένως ένα πανομοιότυπο τμήμα εκτρέπεται περίπου τρεις φορές περισσότερο κάτω από το ίδιο φορτίο.
Ε: Ποια είναι η αναλογία απόδοσης του αλουμινίου 7075;
Συνήθως 0.85 - 0.88, η αντοχή διαρροής μετατόπισης 0,2% διαιρούμενη με την αντοχή εφελκυσμού. Η υψηλή αναλογία απόδοσης σημαίνει μικρή παραμόρφωση πριν από την αστοχία, επομένως η κούραση και τα φαινόμενα εγκοπής οδηγούν τη σχεδίαση.
Ε: Πόσο σταθερά είναι τα 7075 ακίνητα με την πάροδο του χρόνου;
Πολύ σταθερό κάτω από περίπου 120 μοίρες. Τα ιζήματα που σχηματίζονται κατά τη γήρανση παραμένουν στη θέση τους και η πλάκα T651 που έχει ανακουφιστεί από την πίεση-διατηρεί τις διαστάσεις της, υπό την προϋπόθεση ότι η επιφάνεια είναι προστατευμένη και η θερμοκρασία λειτουργίας παραμένει ελεγχόμενη.
