Krátka odpoveď: Hustota hliníka 7075 verzus oceľ
Hliník 7075 má hustotu približne 2,81 g/cm³, čo je približne jedna tretina hustoty typickej uhlíkovej ocele pri približne 7,85 g/cm³. Tento jediný rozdiel poháňa väčšinu hodnoty zliatiny pri preprave a leteckom priemysle, pretože umožňuje inžinierom odstrániť hmotnosť z konštrukcie bez zníženia nosnosti.
Hustota je pevná vlastnosť materiálu: nemení sa temperovaním, tepelným spracovaním alebo spracovaním za studena, takže 7075 v podmienkach O, T6 a T651 majú všetky hodnoty približne 2,81 g/cm³. Čo sa mení s temperamentom, je sila a sila v kombinácii s hustotou je to, čo vytvára čísla, s ktorými dizajnéri skutočne pracujú.
| Nehnuteľnosť | hliník 7075 | Typická uhlíková oceľ |
|---|---|---|
| Hustota | 2,81 g/cm³ (0,102 lb/in³) | 7,85 g/cm³ (0,284 lb/in³) |
| Relatívna hmotnosť pre rovnaký objem | 1.00 | 2.79 |
| Modul pružnosti | približne 71 GPa | asi 200 GPa |
| Pozícia sily-k-váhe | Veľmi vysoká v rodine T6 | Závisí od triedy a sekcie |
Od hustoty k sile-k-pomeru hmotnosti
Samotná hustota nehovorí nič o výkone. Užitočným meradlom je pevnosť delená hustotou, a tu je rodina 7xxx nezvyčajne silná: 7075-T651 dosahuje medzu pevnosti v ťahu 572 MPa a medzu klzu o 0,2 % 503 MPa pri 2,81 g/cm³.
Pretože zliatina je pri rovnakom objeme asi 2,8-krát ľahšia ako oceľ, komponent s čistou pevnosťou môže byť vyrobený zhruba trikrát ľahší, keď je prerobený na 7075-T651. V letectve, automobilovom priemysle a iných pohyblivých konštrukciách to ušetrilo hmotu: nižšia hmotnosť konštrukcie zvyšuje kapacitu užitočného zaťaženia, znižuje spotrebu paliva na tonokilometer a znižuje zaťaženie, ktoré musí niesť zvyšok konštrukcie.
Úspora hmotnosti je najväčšia u častí-tolerujúcich tuhosť, kde je možné sekciu zmenšiť, kým pevnosť nebude riadiť dizajn.
Úspora hmotnosti je najmenšia v častiach kritických pre tuhosť-, pretože tuhosť závisí skôr od modulu a geometrie sekcie než od pevnosti zliatiny.
Ochrana proti korózii a návrh detailov proti únave zvyčajne určujú praktický limit, koľko materiálu je možné odstrániť.
Modul pružnosti a čo to znamená pre dizajn
Modul pružnosti hliníka 7075 je približne 71 GPa, podobne ako u iných hliníkových zliatin, ale ďaleko pod úrovňou ocele. Modul určuje, do akej miery sa dielec vychýli pri zaťažení, takže hliníkový nosník rovnakých rozmerov sa vychýli asi trikrát viac ako oceľový nosník nesúci rovnaké zaťaženie. Zliatina tu pomáha v jednom ohľade: nižší modul a súvisiaca ťažnosť umožňujú neškodné ohýbanie, ktoré môže absorbovať energiu a zlepšiť únavové správanie, čo je užitočné v drakoch lietadiel a konštrukciách vozidiel.
Dizajnéri preto musia oddeliť dve otázky. Ak je diel obmedzený pevnosťou, je nízka hustota hliníka priamou výhodou. Ak je limitovaný priehybom, vibráciami alebo vybočením, geometria prierezu musí urobiť svoju prácu, pretože keď sa modul vydelí hustotou, dva materiály sú takmer rovnaké. Praktické akcie sú jednoduché:
Pri pridávaní ohybovej tuhosti zväčšite hĺbku namiesto šírky, pretože tuhosť rastie s kockou hĺbky.
Pred uvoľnením akéhokoľvek dizajnu so -nižšou hmotnosťou znova skontrolujte priehyb, prirodzenú frekvenciu a okraje vybočenia.
Dodržujte tolerancie a ochranu povrchu v poznámkach k výkresu, pretože tenšie časti sú menej odolné voči korózii alebo poškodeniu nárazom.
Výnosový pomer a rezerva proti deformácii
Pomer klzu hliníka 7075, definovaný ako 0,2 % ofsetová medza klzu vydelená pevnosťou v ťahu, je zvyčajne 0.85 - 0.88. Pri tvrdosti T651 to znamená, že medza klzu 503 MPa sa blíži konečnej pevnosti 572 MPa. Výhodou je minimálna trvalá deformácia pri prevádzkovom namáhaní; cena je krátka plastická plošina medzi výnosom a zlomom.
Pre dizajn z toho vyplývajú dva dôsledky. Po prvé, prípustné napätie by malo byť stanovené z prieťažnosti s primeraným faktorom, nie z konečnej pevnosti. Po druhé, únavová pevnosť približne 159 MPa a vrubová citlivosť zliatiny medeného-ložiska 7xxx by sa mali považovať za rozhodujúce limity v akejkoľvek aplikácii s cyklickým zaťažením.
Stabilita vlastnosti a prevádzková teplota
Mechanické vlastnosti hliníka 7075 sú stabilné za normálnych prevádzkových podmienok, najmä pod asi 120 stupňov. Vyvážené prísady zinku, horčíka a medi spolu s kontrolovaným tepelným spracovaním udržujú spevňujúce precipitáty stabilné po dlhú dobu a doska T651 dodáva úľavu od napätia napínaním, ktoré zlepšuje dlhodobú- rozmerovú stabilitu.
Dosku a tyč skladujte naplocho a v suchu, mimo dosahu chloridov, aby ste predišli koróznym jamám, ktoré pôsobia ako miesta iniciácie únavy.
Naneste elox, základný náter alebo konverzný náter tam, kde bude diel vystavený vlhkosti, soli alebo priemyselnej atmosfére.
Udržujte prevádzkovú teplotu pod teplotou starnutia, pretože dlhodobé vystavenie vyššej teplote pomaly prevyšuje zliatinu a znižuje pevnosť.
Zvládnite odrezané hrany a opracované vrecká s rovnakou ochranou ako hlavný povrch, pretože to sú miesta, kde začína útok.
Aplikované týmto spôsobom zostávajú pevnosť v ťahu, medza klzu a odolnosť proti únave predvídateľné počas celej životnosti komponentu namiesto toho, aby sa po niekoľkých rokoch prevádzky unášali.
Často kladené otázky
Otázka: Aká je hustota hliníka 7075 v porovnaní s oceľou?
Hliník 7075 má približne 2,81 g/cm³ oproti približne 7,85 g/cm³ pre typickú uhlíkovú oceľ, takže je približne o tretinu hustejší a rovnaký objem váži približne 2,8-krát menej.
Otázka: Mení teplota hustotu 7075?
Nie. Hustota je daná zložením, takže tvrdosti O, T6 a T651 sú všetky okolo 2,81 g/cm³. Temper mení iba pevnosť, tvrdosť a vnútorné napätie.
Otázka: Prečo je nízka hustota v dizajne taká dôležitá?
Pretože pevnosť delená hustotou rozhoduje o tom, aká ľahká môže byť nosná časť-. Pri pevnosti v ťahu 572 MPa a 2,81 g/cm³ môže byť súčiastka s pevnosťou- približne trikrát ľahšia ako jej ekvivalent z ocele.
Otázka: Je 7075 tuhšia ako oceľ?
Nie. Jeho modul pružnosti je približne 71 GPa, čo je približne tretina modulu pružnosti ocele pri približne 200 GPa, takže identická sekcia sa pri rovnakom zaťažení vychýli približne trikrát viac.
Otázka: Aký je pomer výnosu hliníka 7075?
Typicky 0.85 - 0.88, 0,2 % ofsetová medza klzu delená pevnosťou v ťahu. Vysoký pomer klzu znamená malú deformáciu pred poruchou, takže únava a vrubové efekty riadia dizajn.
Otázka: Ako stabilných je 7075 nehnuteľností v priebehu času?
Veľmi stabilný pod asi 120 stupňov. Precipitáty vytvorené počas starnutia zostanú na svojom mieste a doska T651-uvoľnená z napätia si zachová svoje rozmery za predpokladu, že je povrch chránený a prevádzková teplota zostane pod kontrolou.
