ความหนาแน่นของอะลูมิเนียม 7075 เมื่อเทียบกับเหล็ก: น้ำหนัก โมดูลัส และการออกแบบ

คำตอบสั้นๆ: ความหนาแน่นของอลูมิเนียม 7075 กับเหล็ก

อลูมิเนียม 7075 มีความหนาแน่นประมาณ 2.81 g/cm³ ซึ่งเป็นประมาณหนึ่งในสามของความหนาแน่นของเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไปที่ประมาณ 7.85 g/cm³ ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวนั้นขับเคลื่อนคุณค่าของโลหะผสมส่วนใหญ่ในงานขนส่งและอวกาศ เนื่องจากช่วยให้วิศวกรสามารถดึงน้ำหนักออกจากโครงสร้างได้โดยไม่ต้องลดความสามารถในการรับน้ำหนัก

ความหนาแน่นเป็นคุณสมบัติของวัสดุคงที่: มันไม่เปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิ การอบชุบ หรืองานเย็น ดังนั้น 7075 ในสภาวะ O, T6 และ T651 ทั้งหมดจึงอยู่ที่ประมาณ 2.81 กรัม/ซม.³ สิ่งที่เปลี่ยนแปลงตามอารมณ์คือความแข็งแกร่ง และความแข็งแกร่งรวมกับความหนาแน่นคือสิ่งที่สร้างตัวเลขที่นักออกแบบใช้งานได้จริง

จากความหนาแน่นถึงความแข็งแรง-ถึง-อัตราส่วนน้ำหนัก

ความหนาแน่นเพียงอย่างเดียวไม่ได้พูดอะไรเกี่ยวกับประสิทธิภาพ การวัดที่มีประโยชน์คือความแข็งแรงหารด้วยความหนาแน่น และในที่นี้ กลุ่มผลิตภัณฑ์ 7xxx มีความแข็งแกร่งผิดปกติ: 7075-T651 มีความต้านทานแรงดึงสูงสุดที่ 572 MPa และความแข็งแรงของครากออฟเซ็ต 0.2% ที่ 503 MPa ที่ 2.81 g/cm³

เนื่องจากโลหะผสมมีน้ำหนักเบากว่าเหล็กประมาณ 2.8 เท่าในปริมาตรเท่ากัน ส่วนประกอบที่มีขนาดตามความแข็งแกร่งเพียงอย่างเดียวจึงทำให้เบาลงได้ประมาณสามเท่าเมื่อได้รับการออกแบบใหม่ใน 7075-T651 ในการบินและอวกาศ ยานยนต์ และโครงสร้างที่เคลื่อนที่อื่นๆ จะช่วยประหยัดสารประกอบมวล: น้ำหนักโครงสร้างที่ลดลงจะเพิ่มความสามารถในการบรรทุก ลดการเผาไหม้เชื้อเพลิงต่อตัน-กิโลเมตร และลดภาระที่ส่วนที่เหลือของโครงสร้างต้องบรรทุก

การลดน้ำหนักจะเกิดขึ้นได้มากที่สุดในส่วนที่ทนทานต่อความแข็ง- โดยที่ส่วนนั้นสามารถลดลงได้จนกว่าความแข็งแรงจะควบคุมการออกแบบ

การลดน้ำหนักมีน้อยที่สุดในส่วนของความแข็ง-ชิ้นส่วนที่สำคัญ เนื่องจากความแข็งขึ้นอยู่กับโมดูลัสและรูปทรงของหน้าตัด มากกว่าความแข็งแรงของโลหะผสม

การป้องกันการกัดกร่อนและการออกแบบรายละเอียดความล้ามักจะกำหนดขีดจำกัดในทางปฏิบัติว่าสามารถขจัดวัสดุออกได้มากเพียงใด

โมดูลัสยืดหยุ่นและความหมายสำหรับการออกแบบ

โมดูลัสยืดหยุ่นของอลูมิเนียม 7075 มีค่าประมาณ 71 GPa คล้ายกับอลูมิเนียมอัลลอยด์อื่นๆ แต่ต่ำกว่าเหล็กมาก โมดูลัสจะควบคุมปริมาณการโก่งตัวของชิ้นส่วนภายใต้ภาระ ดังนั้นคานอลูมิเนียมที่มีขนาดเท่ากันจะโก่งตัวได้มากเป็นสามเท่าของคานเหล็กที่รับน้ำหนักเท่ากัน โลหะผสมช่วยได้ในแง่หนึ่ง: โมดูลัสที่ต่ำกว่าและความเหนียวที่เกี่ยวข้องทำให้เกิดการโค้งงอที่ไม่เป็นอันตรายซึ่งสามารถดูดซับพลังงานและปรับปรุงพฤติกรรมความเมื่อยล้า ซึ่งมีประโยชน์ในโครงเครื่องบินและโครงสร้างของยานพาหนะ

นักออกแบบจึงต้องแยกคำถามสองข้อออกจากกัน หากชิ้นส่วนถูกจำกัดด้วยความแข็งแรง อลูมิเนียมที่มีความหนาแน่นต่ำจะเป็นข้อได้เปรียบโดยตรง หากถูกจำกัดด้วยการโก่งตัว การสั่นสะเทือน หรือการโก่งงอ เรขาคณิตของส่วนต่างๆ จะต้องทำหน้าที่นี้ เนื่องจากเมื่อโมดูลัสถูกหารด้วยความหนาแน่น วัสดุทั้งสองจะออกมาเกือบเท่ากัน การปฏิบัติจริงนั้นตรงไปตรงมา:

เพิ่มความลึกมากกว่าความกว้างเมื่อเพิ่มความแข็งในการดัดงอ เนื่องจากความแข็งจะเพิ่มขึ้นตามความลึกลูกบาศก์

ตรวจสอบการโก่งตัว ความถี่ตามธรรมชาติ และระยะขอบโก่งงออีกครั้ง ก่อนที่จะปล่อยการออกแบบที่ลดน้ำหนัก-

รักษาความคลาดเคลื่อนและการปกป้องพื้นผิวไว้ในบันทึกการวาด เนื่องจากส่วนที่บางกว่าจะทนต่อการกัดกร่อนหรือความเสียหายจากแรงกระแทกได้น้อยกว่า

อัตราผลตอบแทนและการสำรองต่อการเสียรูป

อัตราผลตอบแทนของอลูมิเนียม 7075 ซึ่งกำหนดเป็นความแข็งแรงของผลผลิตออฟเซ็ต 0.2% หารด้วยความต้านทานแรงดึง โดยทั่วไปจะอยู่ที่ 0.85 - 0.88. ในอุณหภูมิ T651 ซึ่งหมายความว่าความแข็งแรงของผลผลิตที่ 503 MPa ใกล้เคียงกับความแข็งแรงสูงสุดที่ 572 MPa ประโยชน์ที่ได้รับคือการเสียรูปถาวรน้อยที่สุดภายใต้ความเครียดจากการบริการ ราคานี้เป็นราคาที่ราบสูงพลาสติกสั้นระหว่างผลผลิตและการแตกหัก

ผลที่ตามมาสองประการสำหรับการออกแบบ ประการแรก ความเค้นที่ยอมให้ควรกำหนดจากผลผลิตที่มีปัจจัยเพียงพอ ไม่ใช่จากความแข็งแกร่งสูงสุด ประการที่สอง ความแข็งแรงเมื่อยล้าประมาณ 159 MPa และความไวของรอยบากของโลหะผสมทองแดง-ที่มีตลับลูกปืน 7xxx ควรถือเป็นขีดจำกัดในการใช้งานที่มีการโหลดแบบวนรอบ

ความเสถียรของทรัพย์สินและอุณหภูมิการบริการ

คุณสมบัติทางกลของอลูมิเนียม 7075 มีความเสถียรภายใต้สภาวะการบริการปกติ โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่อุณหภูมิต่ำกว่า 120 องศา การเติมสังกะสี แมกนีเซียม และทองแดงที่สมดุลร่วมกับการบำบัดความร้อนแบบควบคุมจะทำให้การตกตะกอนที่เสริมความแข็งแกร่งมีความเสถียรในระยะเวลานาน และเพลต T651 จะเพิ่มการบรรเทาความเครียดโดยการยืดที่ปรับปรุง-ความเสถียรของมิติในระยะยาว

เก็บแผ่นและแท่งให้เรียบและแห้ง ห่างจากคลอไรด์ เพื่อป้องกันหลุมกัดกร่อนที่เป็นจุดเริ่มของความล้า

ใช้อโนไดซ์ ไพรเมอร์ หรือสารเคลือบแปลง โดยที่ชิ้นส่วนจะพบกับความชื้น เกลือ หรือบรรยากาศอุตสาหกรรม

รักษาอุณหภูมิการใช้งานให้ต่ำกว่าอุณหภูมิการเสื่อมสภาพ เนื่องจากการสัมผัสกับอุณหภูมิที่สูงกว่าจะช้ากว่าโลหะผสมและลดความแข็งแรง

จับขอบที่ถูกตัดและช่องที่กลึงด้วยการป้องกันเช่นเดียวกับพื้นผิวหลัก เนื่องจากเป็นจุดที่การโจมตีเริ่มต้นขึ้น

เมื่อนำไปใช้ในลักษณะนี้ ความต้านทานแรงดึง ความแข็งแรงคราก และความต้านทานความล้ายังคงสามารถคาดเดาได้ตลอดอายุการใช้งานของส่วนประกอบ แทนที่จะเคลื่อนไปหลังจากใช้งานไปไม่กี่ปี

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: ความหนาแน่นของอลูมิเนียม 7075 เทียบกับเหล็กเป็นเท่าใด
อะลูมิเนียม 7075 มีน้ำหนักประมาณ 2.81 g/cm³ เทียบกับประมาณ 7.85 g/cm³ สำหรับเหล็กกล้าคาร์บอนทั่วไป ดังนั้นจึงมีความหนาแน่นประมาณหนึ่งในสาม และปริมาตรเดียวกันจะมีน้ำหนักน้อยกว่าประมาณ 2.8 เท่า

ถาม: อุณหภูมิเปลี่ยนความหนาแน่นของ 7075 หรือไม่
ไม่ ความหนาแน่นถูกกำหนดไว้ตามองค์ประกอบ ดังนั้นการควบคุมอุณหภูมิ O, T6 และ T651 ทั้งหมดจึงอยู่ที่ประมาณ 2.81 ก./ซม.³ อารมณ์เปลี่ยนแปลงเฉพาะความแข็งแกร่ง ความแข็ง และความเครียดภายในเท่านั้น

ถาม: เหตุใดความหนาแน่นต่ำจึงมีความสำคัญในการออกแบบมาก
เพราะความแข็งแรงหารด้วยความหนาแน่นจะตัดสินว่าชิ้นส่วนรับน้ำหนัก-จะเบาเพียงใด ที่ความต้านทานแรงดึง 572 MPa และ 2.81 g/cm³ ชิ้นส่วนที่มีขนาดความแข็งแรง-จะเบากว่าเหล็กที่เทียบเท่ากันประมาณสามเท่า

ถาม: 7075 แข็งกว่าเหล็กหรือไม่
ไม่ โมดูลัสยืดหยุ่นของมันคือประมาณ 71 GPa หรือประมาณหนึ่งในสามของเหล็กที่ประมาณ 200 GPa ดังนั้นส่วนที่เหมือนกันจะเบี่ยงเบนไปประมาณสามเท่าภายใต้ภาระเดียวกัน

ถาม: อัตราผลตอบแทนของอลูมิเนียม 7075 คืออะไร?
โดยทั่วไปแล้ว 0.85 - 0.88 ค่าความแข็งแรงของผลผลิตออฟเซ็ต 0.2% หารด้วยค่าความต้านทานแรงดึง อัตราผลตอบแทนสูงหมายถึงการเสียรูปเล็กน้อยก่อนเกิดความล้มเหลว ดังนั้นความล้าและรอยบากจึงส่งผลต่อการออกแบบ

ถาม: คุณสมบัติ 7075 มีเสถียรภาพเพียงใดเมื่อเวลาผ่านไป
มีเสถียรภาพมากต่ำกว่าประมาณ 120 องศา ตะกอนที่เกิดขึ้นระหว่างการเสื่อมสภาพจะคงอยู่ และเพลต T651 ที่คลายความเค้น-จะคงขนาดไว้ โดยมีเงื่อนไขว่าพื้นผิวได้รับการปกป้องและควบคุมอุณหภูมิการใช้งานไว้