چگالی آلومینیوم در مقابل فولاد: مقادیر کلیدی، نسبت‌های مقاومت و تاثیر طراحی

یک مهندس تعمیر و نگهداری در یکپارچه ساز خط باتری خودرو باید یک قاب دستگاه فولادی جوش داده شده با وزن 186 کیلوگرم را جایگزین کند. قاب آلومینیومی T-slot که روی همان پاکت بیرونی طراحی شده است، قبل از ماشین کاری حدود 64 کیلوگرم وزن دارد. این شکاف 122 کیلوگرمی به همین دلیل است چگالی آلومینیوم در مقابل فولاد (2.70 گرم در سانتی متر ³ در مقابل تقریباً 7.85 گرم بر سانتی متر ³ ) یکی از اولین اعداد نقل شده در هر مقایسه مصالح سازه ای است.

اما تراکم به تنهایی چیزی را تعیین نمی کند. فقط تجزیه و تحلیل را باز می کند. نتیجه واقعی به نحوه تعامل چگالی با قدرت تسلیم، مدول یانگ، هندسه مقطع و روش مونتاژ بستگی دارد. این مقاله مقادیر مرجع را ارائه می‌کند، ریاضیات استحکام به وزن و سختی را توضیح می‌دهد و یک چارچوب انتخاب عملی برای اکستروژن آلومینیوم در مقابل مقاطع فولادی ارائه می‌کند.

چگالی آلومینیوم در مقابل فولاد: مقادیر مرجعی که هر طراح به آن نیاز دارد

فولاد حدود 2.9 برابر چگالی تر از آلومینیوم است و این نسبت در بین گریدهای ساختاری رایج تقریباً ثابت می ماند. آلومینیوم 6061-T6 اندازه 2.70 گرم در سانتی متر است ³ ، فولاد کربنی A36 دارای ابعاد 7.85 گرم بر سانتی متر است ³ و فولاد ضد زنگ 304 تقریباً 8.00 گرم در سانتی متر است ³ .

2.70 گرم بر سانتی متر ³ آلومینیوم 6061-T6

7.85 گرم بر سانتی متر ³ فولاد کربن A36

2.9x نسبت چگالی فولاد به آلومینیوم

25.5 ~ سفتی خاص GPa در گرم بر سانتی متر ³ ، تقریباً برابر است

آلومینیوم 6061

2.70

آلومینیوم 7075

2.81

فولاد ملایم A36

7.85

ضد زنگ 304

8.00

چگالی فلزات ساختاری رایج بر حسب گرم بر سانتی متر ³ . چگالی فولاد تقریباً سه برابر آلومینیوم است.

در واحدهای امپراتوری، آلومینیوم 6061 در 0.098 پوند در اینچ قرار دارد ³ و فولاد در 0.284 پوند در اینچ ³ ، حفظ همان نسبت 2.9x. آلیاژسازی مقادیر را فقط کمی تغییر می دهد: 7075-T6 به 2.81 گرم در سانتی متر می رسد. ³ ، در حالی که فولادهای با استحکام بالا و ضد زنگ بین 7.75 تا 8.10 گرم در سانتی متر باقی می مانند. ³ محدوده

جدول زیر استحکام تسلیم، مدول الاستیسیته و استحکام ویژه را برای پنج فلزی که به طور منظم در قاب‌های صنعتی رقابت می‌کنند، اضافه می‌کند.

چگالی و خواص مکانیکی آلیاژهای رایج آلومینیوم و فولادهای ساختاری
مواد	چگالی g/cm ³	بازده MPa	E GPa	استحکام ویژه kN-m/kg
آلومینیوم 6061-T6	2.70	276	68.9	102
آلومینیوم 7075-T6	2.81	503	71.7	179
فولاد A36	7.85	250	200	32
استیل A572 گرید 50	7.85	345	200	44
فولاد ضد زنگ 304	8.00	205	193	26

سفتی برابر در واحد جرم از آنجایی که مدول یانگ فولاد (200 گیگا پاسکال) تقریباً برابر با چگالی 69 گیگا پاسکال آلومینیوم است، یک عضو کششی یا فشاری هر یک از فلزات تقریباً سختی یکسانی در هر کیلوگرم دارد.

نسبت قدرت به وزن: زمانی که چگالی حکم را تغییر می دهد

در طراحی با بازده محدود، آلومینیوم 6061-T6 تقریباً سه برابر ظرفیت بارگذاری فولاد A36 برای همان وزن را ارائه می دهد.

تعریف

استحکام ویژه برابر است با قدرت تسلیم تقسیم بر چگالی. این نشان می دهد که یک کیلوگرم ماده قبل از تسلیم چقدر بار می تواند حمل کند.

اجرای اعداد بر روی پنج درجه ساختاری الگو را واضح می کند.

آلومینیوم 6061-T6: بازده 276 مگاپاسکال / 2.70 گرم بر سانتی متر ³ 102 kN-m/kg می دهد.
فولاد A36: 250 مگاپاسکال / 7.85 گرم بر سانتی متر ³ 32 kN-m/kg می دهد.
آلومینیوم 7075-T6: 503 مگاپاسکال / 2.81 گرم بر سانتی متر ³ به 179 kN-m/kg می رسد.
فولاد A572 درجه 50: 345 مگاپاسکال / 7.85 گرم بر سانتی متر ³ به 44 kN-m/kg می رسد.

تامین کنندگان اکستروژن این را به هندسه عملی ترجمه می کنند: یک پروفیل 3030 با استحکام بالا با دیواره 2.0 میلی متری بار قابل توجهی بالاتر از بخش استاندارد 3030 تنها با افزایش اندکی در جرم در هر متر حمل می کند. تعیین ضخامت دیوار اغلب یک مسیر سریعتر برای ظرفیت بارگذاری نسبت به پرش به یک سری بزرگتر است.

پروفیل آلومینیومی HS-8-3030A 3030 T-Slot با استحکام بالا با دیواره 2.0 میلی متری این پروفیل 30x30 میلی‌متری با دیواره ضخیم‌تر 2.0 میلی‌متری و وزن 0.85 کیلوگرم در متر، ظرفیت بار را نسبت به بخش‌های استاندارد 3030 افزایش می‌دهد و آن را به گزینه‌ای عملی برای فریم‌های محدود با خستگی و انحراف در جایی که سختی مهم است تبدیل می‌کند. مشاهده محصول →

اعضای فقط تنش یک عضو کششی آلومینیومی با استحکام برابر، حدود 31 درصد از همتای فولادی A36 خود را وزن دارد و تقریباً 69 درصد از وزن را کاهش می دهد. به همین دلیل است که اختلاف چگالی زمانی که ظرفیت بار در هر کیلوگرم محرک طراحی باشد به یک مزیت تعیین کننده تبدیل می شود.

خستگی تصویر را تغییر می دهد. فولاد حدود 40 تا 50 درصد مقاومت نهایی خود را در برابر خستگی دارد، به این معنی که می تواند به طور نامحدود زیر این تنش چرخی کند. آلومینیوم محدودیتی برای استقامت واقعی ندارد، بنابراین کاربردهای بسیار چرخه ای اغلب فولاد را حتی با جریمه وزنی توجیه می کند.

سختی خمشی: اعمال چگالی آلومینیوم در مقابل فولاد در مقاطع واقعی

برای یک تیر کنترل شده با سختی، چگالی را به تنهایی مقایسه نمی کنید. شما سختی خمشی را مقایسه می کنید که حاصل ضرب مدول یانگ (E) و ممان اینرسی (I) مقطع است. مدول 2.9 برابری یک تیر فولادی با توانایی بخش آلومینیومی برای حمل مواد بیشتر از محور خنثی جبران می شود.

نمونه کار با سختی برابر

یک لوله مربع فولادی 100 x 100 x 3 میلی متر دارای ممان اینرسی 1.83 x 10 است. ⁶ میلی متر ⁴ و 9.1 کیلوگرم بر متر وزن دارد. یک لوله مربع آلومینیومی 120 × 120 × 5 میلی متر دارای گشتاور اینرسی 5.08 × 10 است. ⁶ میلی متر ⁴ .

نسبت خمشی-سفتی: (68.9 گیگا پاسکال x 5.08) / (200 گیگا پاسکال x 1.83) = 0.96، در محدوده 4 درصد سختی عضو فولادی. وزن: 6.2 کیلوگرم بر متر در مقابل 9.1 کیلوگرم بر متر، 32 درصد صرفه جویی.

اگر بخش آلومینیومی را تا زمانی که با وزن فولاد مطابقت داشته باشد مقیاس کنید، یک لوله 170 × 170 × 5 میلی متری تقریباً 2.8 برابر سختی خمشی فولاد را ارائه می دهد.

اکستروژن های آلومینیومی T-slot بهره برداری از این اثر هندسی را آسان می کند. پروفیل‌های توخالی با دیوارهای تقویت‌شده، شکاف‌های عمیق و فلنج‌های عریض، ممان‌های اینرسی بالایی را در هر کیلوگرم فراهم می‌کنند، که دقیقاً همان چیزی است که قاب‌های دارای انحراف محدود به آن نیاز دارند.

پروفیل آلومینیومی پر استحکام 4040 HS-8-4040D با دیواره 3.2 میلی متری این پروفیل 40x40 میلی متری دارای دیواره ضخیم 3.2 میلی متری و بدون سوراخ های از پیش حفر شده است، سفتی بالایی در هر کیلوگرم ارائه می دهد. برای فریم های سنگین که کمانش و انحراف ستون از ملاحظات طراحی حیاتی هستند، مناسب است. مشاهده محصول →

کمانش یک لایه دیگر اضافه می کند. بار کمانش ستون به EI تقسیم بر مجذور طول بدون تکیه گاه بستگی دارد، بنابراین یک پایه قاب که از بخش آلومینیومی عمیق‌تر ساخته شده است، همان مزیت پایداری را به ارث می‌برد. برای قاب هایی با پایه های عمودی بلند، این مهم بیشتر از قدرت تسلیم است.

قانون 3x در وزن مساوی در هر متر، یک بخش آلومینیومی را می توان طوری شکل داد که تقریباً سه برابر سفتی خمشی یک لوله فولادی قابل مقایسه باشد، زیرا چگالی پایین تر اجازه می دهد سطح مقطع عمیق تری داشته باشد.

تصمیمات چارچوب سازی: زمانی که شکاف چگالی انتخاب مواد را هدایت می کند

قانون انتخاب مستقیم است: زمانی که جرم، خوردگی، مدولار بودن یا هزینه ماشینکاری اهمیت دارد، از آلومینیوم استفاده کنید. هنگامی که سختی در واحد حجم در یک پوشش ثابت، مقاومت در برابر دما یا هزینه مواد خام غالب است، از فولاد استفاده کنید.

زمانی که اکستروژن آلومینیومی را انتخاب کنید

دروازه های حساس به وزن، پایه های ربات، خطوط نقاله و ایستگاه های بازرسی
محیط‌های خشک یا مرطوب گیاهی که سطوح آنودایز شده در برابر خوردگی مقاومت می‌کنند
قاب های مدولار T-slot مونتاژ شده با اتصالات استاندارد و بدون جوش
طرح هایی که به طور مکرر تغییر می کنند و از ماشینکاری CNC و آنودایز سفارشی سود می برند

زمانی که فولاد را انتخاب کنید

تیرهای بحرانی سختی در داخل یک پوشش محکم که در آن بخش نمی تواند عمیق تر رشد کند
سرویس مداوم بالای 150 درجه سانتیگراد، جایی که آلیاژهای آلومینیوم استحکام خود را از دست می دهند
کاربردهای خستگی چرخه بالا که بر حد استقامت فولاد متکی هستند
ساختارهای هزینه محور که در آن وزن اضافی قابل قبول است و قیمت مواد غالب است

یک راه حل هیبریدی رایج، صفحات پایه فولادی و پایه های سنگین را در زیر ساختار فوقانی شیار T آلومینیومی قرار می دهد. فولاد بارهای لنگر متمرکز را حمل می کند، در حالی که قاب آلومینیومی وزن بالای سر را پایین نگه می دارد.

برای فریم‌های ماشین‌های پرتقاضا، تولیدکنندگانی مانند شرکت فناوری صنعت آلومینیوم شانگهای Huishuo با مسئولیت محدود ترکیب می‌کنند. پروفیل های سنگین 6061 با ساخت قالب سفارشی، ماشینکاری CNC و تکمیل سطح آنودایز شده. سری های بار سنگین از 40 میلی متر تا 120 میلی متر به مهندسان این امکان را می دهد که ضخامت دیوار و هندسه شکاف را با هدف سختی مطابقت دهند.

HS-10-4545 Heavy-Duty 4545 T-Slot Aluminum Extrusion with 2.4mm Wall

HS-10-4545 هوی دیوتی 4545 اسلات آلومینیومی اکستروژن با دیواره 2.4 میلی متری این پروفیل سنگین 45x45 میلی متری از آلیاژ 6063-T5 با استحکام بالا و یک شکاف 10.2 میلی متری برای اتصالات با گشتاور بالا استفاده می کند. ایده آل برای پایه های ماشین آلات بزرگ و سازه های نقطه ای که حداکثر پایداری را می طلبند. مشاهده محصول →

هنگامی که یک طرح باید بارهای نقطه ای متمرکز را حمل کند، انحراف دهانه پشتیبانی نشده را به جای تکیه بر نسبت های چگالی به تنهایی بررسی کنید. سری های 30، 40 و 45 شامل پروفیل های دیوار ضخیم با استحکام بالا هستند که بارهای متوسط و سنگین را برآورده می کنند.

سوالات متداول: چگالی آلومینیوم در مقابل فولاد در طراحی قاب روزمره

چگالی دقیق آلومینیوم در مقابل فولاد چقدر است؟

آلومینیوم 6061-T6 2.70 گرم در سانتی متر است ³ (2700 کیلوگرم بر متر ³ 0.098 پوند در اینچ ³ ). فولاد کربن A36 7.85 گرم در سانتی متر است ³ (7850 کیلوگرم بر متر ³ 0.284 پوند در اینچ ³ ). فولاد ضد زنگ 304 حدود 8.00 گرم در سانتی متر است ³ . بنابراین فولاد حدود 2.9 برابر چگالی تر از آلومینیوم است.

آیا آلومینیوم برای همان وزن از فولاد قوی تر است؟

معمولا بله. آلومینیوم 6061-T6 دارای استحکام ویژه ای در حدود 102 کیلو نیوتن بر متر بر کیلوگرم است، در حالی که فولاد A36 در 32 کیلو نیوتن متر بر کیلوگرم و A572 گرید 50 در 44 کیلو نیوتن متر بر کیلوگرم است. فقط فولادهای بسیار با استحکام در حدود 690 مگاپاسکال به بازده وزنی 6061-T6 نزدیک می شوند.

چه زمانی اختلاف چگالی به نفع آلومینیوم نیست؟

طرح‌های حساس سختی، بدون فضایی برای تعمیق بخش، سرویس مداوم بالای 150 درجه سانتی‌گراد، خستگی در چرخه بالا، و پروژه‌های صرفاً مبتنی بر هزینه مواد. مدول بالاتر فولاد، حد استقامت مفید و برنده قیمت کمتر در این موارد.

چرا وقتی فولاد هزینه کمتری دارد از قاب آلومینیومی با اسلات T استفاده کنیم؟

زیرا مجموع هزینه نصب شده در بسیاری از ماشین آلات کمتر است. اکستروژن T-slot جوش و تراز را حذف می کند، اتصال دهنده های استاندارد را می پذیرد، در محیط های شسته شده در هنگام آنودایز زنده می ماند و می تواند برای تغییرات چیدمان آینده دوباره پیکربندی شود.

خط پایین. چگالی آلومینیوم در مقابل فولاد 2.70 در مقابل 7.85 گرم بر سانتی متر است ³ ، شکاف 2.9 برابری. این شکاف تقریباً به نسبت استحکام به وزن 3 برابر بهتر برای 6061-T6، سفتی تقریباً برابر در هر کیلوگرم و 30 تا 50 درصد قاب سبک تر در هنگام تغییر اندازه بخش ها برای خم شدن تبدیل می شود.