ความหนาแน่นของอลูมิเนียมกับเหล็ก: ค่าหลัก อัตราส่วนความแข็งแรง และผลกระทบต่อการออกแบบ

วิศวกรบำรุงรักษาของบริษัทผู้วางสายแบตเตอรี่ยานยนต์ต้องเปลี่ยนโครงเครื่องจักรเหล็กเชื่อมที่มีน้ำหนัก 186 กก. เฟรมอะลูมิเนียม T-slot ออกแบบมาให้มีซองด้านนอกเดียวกัน มีน้ำหนักประมาณ 64 กก. ก่อนการตัดเฉือน ช่องว่าง 122 กิโลกรัมนั้นเป็นสาเหตุว่าทำไม ความหนาแน่นของอลูมิเนียมกับเหล็ก (2.70 ก./ซม ³ เทียบกับประมาณ 7.85 กรัม/ซม ³ ) เป็นหนึ่งในตัวเลขแรกๆ ที่ยกมาในการเปรียบเทียบวัสดุโครงสร้าง

แต่ความหนาแน่นเพียงอย่างเดียวไม่สามารถตัดสินอะไรได้ มันเปิดเฉพาะการวิเคราะห์เท่านั้น ผลลัพธ์ที่แท้จริงขึ้นอยู่กับว่าความหนาแน่นมีปฏิกิริยาอย่างไรกับความแข็งแรงของผลผลิต โมดูลัสของ Young เรขาคณิตหน้าตัด และวิธีการประกอบ บทความนี้จะให้ค่าอ้างอิง อธิบายคณิตศาสตร์เรื่องความแข็งแรงต่อน้ำหนักและความแข็ง และวางกรอบการเลือกในทางปฏิบัติสำหรับการอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียมเทียบกับส่วนเหล็ก

ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมเทียบกับเหล็ก: ค่าอ้างอิงที่นักออกแบบทุกคนต้องการ

เหล็กมีความหนาแน่นมากกว่าอะลูมิเนียมประมาณ 2.9 เท่า และอัตราส่วนดังกล่าวยังคงเกือบคงที่สำหรับเกรดโครงสร้างทั่วไป อะลูมิเนียม 6061-T6 วัดได้ 2.70 กรัม/ซม ³ เหล็กคาร์บอน A36 วัดได้ 7.85 กรัม/ซม ³ และสแตนเลส 304 วัดได้ประมาณ 8.00 กรัม/ซม ³ .

2.70 กรัม/ซม ³ อลูมิเนียม 6061-T6

7.85 กรัม/ซม ³ เหล็กกล้าคาร์บอน A36

2.9x อัตราส่วนความหนาแน่นของเหล็กต่ออลูมิเนียม

~25.5 ความแข็งจำเพาะ GPa ต่อ กรัม/ซม ³ เกือบเท่ากัน

อลูมิเนียม 6061

2.70

อลูมิเนียม 7075

2.81

เหล็กเหนียว A36

7.85

สแตนเลส304

8.00

ความหนาแน่นของโลหะโครงสร้างทั่วไป มีหน่วยเป็น g/cm3 ³ . เหล็กมีความหนาแน่นประมาณสามเท่าของอลูมิเนียม

ในหน่วยอิมพีเรียล อะลูมิเนียม 6061 อยู่ที่ 0.098 ปอนด์/นิ้ว ³ และเหล็ก 0.284 ปอนด์/นิ้ว ³ โดยคงอัตราส่วน 2.9x เท่าเดิม การผสมจะเลื่อนค่าเพียงเล็กน้อยเท่านั้น: 7075-T6 ถึง 2.81 g/cm3 ³ ในขณะที่เหล็กสเตนเลสความแข็งแรงสูงอยู่ที่ 7.75 ถึง 8.10 กรัม/ซม. ³ ช่วง

ตารางด้านล่างจะเพิ่มความแข็งแรงของผลผลิต โมดูลัสความยืดหยุ่น และความแข็งแรงเฉพาะสำหรับโลหะ 5 ชนิดที่แข่งขันกันในเฟรมอุตสาหกรรมเป็นประจำ

ความหนาแน่นและสมบัติทางกลของโลหะผสมอลูมิเนียมทั่วไปและเหล็กโครงสร้าง
วัสดุ	ความหนาแน่น กรัม/ซม ³	อัตราผลตอบแทน MPa	อีเกรดเฉลี่ย	ความแข็งแรงจำเพาะ kN-m/kg
อลูมิเนียม 6061-T6	2.70	276	68.9	102
อลูมิเนียม 7075-T6	2.81	503	71.7	179
เหล็ก A36	7.85	250	200	32
เหล็ก A572 เกรด 50	7.85	345	200	44
สแตนเลส304	8.00	205	193	26

ความแข็งเท่ากันต่อมวลหน่วย เนื่องจากโมดูลัส Young ของเหล็ก (200 GPa) มีค่าเกือบเท่าตัวคูณของอลูมิเนียม 69 GPa เนื่องจากมีความหนาแน่น องค์ประกอบแรงดึงหรือแรงอัดของโลหะทั้งสองจึงมีความแข็งเกือบเท่ากันต่อกิโลกรัม

อัตราส่วนความแข็งแกร่งต่อน้ำหนัก: เมื่อความหนาแน่นพลิกคำตัดสิน

ในการออกแบบที่จำกัดผลผลิต อะลูมิเนียม 6061-T6 ให้ความสามารถในการรับน้ำหนักประมาณสามเท่าของเหล็ก A36 ที่น้ำหนักเท่ากัน

คำนิยาม

ความแข็งแรงจำเพาะเท่ากับความแข็งแรงของผลผลิตหารด้วยความหนาแน่น เป็นการแสดงจำนวนกิโลกรัมของวัสดุที่สามารถรับน้ำหนักได้ก่อนที่จะผลผลิต

การใช้ตัวเลขบนเกรดโครงสร้าง 5 ระดับจะทำให้มีรูปแบบที่ชัดเจน

อะลูมิเนียม 6061-T6: อัตราผลตอบแทน 276 MPa / 2.70 ก./ซม ³ ให้ 102 กิโลนิวตัน-เมตร/กก.
เหล็ก A36: 250 MPa / 7.85 ก./ซม ³ ให้พลังงาน 32 กิโลนิวตัน-เมตร/กก.
อะลูมิเนียม 7075-T6: 503 MPa / 2.81 ก./ซม ³ ถึง 179 kN-m/kg
เหล็ก A572 เกรด 50: 345 MPa / 7.85 ก./ซม ³ ถึง 44 kN-m/kg

ซัพพลายเออร์การอัดขึ้นรูปแปลสิ่งนี้เป็นรูปทรงที่ใช้งานจริง: โปรไฟล์ 3030 ความแข็งแรงสูงพร้อมผนัง 2.0 มม. รับน้ำหนักได้สูงกว่าหน้าตัดมาตรฐาน 3030 อย่างเห็นได้ชัด โดยมีมวลต่อเมตรเพิ่มขึ้นเพียงเล็กน้อยเท่านั้น การระบุความหนาของผนังมักจะเป็นวิธีที่เร็วกว่าในการรับน้ำหนักมากกว่าการข้ามไปยังซีรีส์ที่ใหญ่กว่า

HS-8-3030A โปรไฟล์อลูมิเนียม T-Slot 3030 ความแข็งแรงสูงพร้อมผนัง 2.0 มม. โปรไฟล์ขนาด 30x30 มม. พร้อมผนังหนา 2.0 มม. และน้ำหนัก 0.85 กก./ม. นี้ ช่วยเพิ่มความสามารถในการรับน้ำหนักได้มากกว่าส่วนมาตรฐาน 3030 ทำให้เป็นตัวเลือกที่ใช้งานได้จริงสำหรับเฟรมที่จำกัดความเมื่อยล้าและการโก่งตัวที่ซึ่งความแข็งแกร่งเป็นสิ่งสำคัญ ดูผลิตภัณฑ์ →

สมาชิกที่มีความตึงเครียดเท่านั้น ชิ้นส่วนรับแรงตึงอะลูมิเนียมที่มีความแข็งแรงเท่ากัน มีน้ำหนักประมาณ 31% ของชิ้นส่วนที่ทำจากเหล็ก A36 ซึ่งช่วยลดน้ำหนักได้เกือบ 69% นี่คือเหตุผลว่าทำไมความแตกต่างของความหนาแน่นจึงกลายเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญเมื่อใดก็ตามที่ความสามารถในการรับน้ำหนักต่อกิโลกรัมเป็นตัวขับเคลื่อนการออกแบบ

ความเหนื่อยล้าทำให้ภาพเปลี่ยนไป เหล็กมีขีดจำกัดความทนทานต่อความเมื่อยล้าประมาณ 40 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ของความแข็งแกร่งสูงสุด ซึ่งหมายความว่ามันสามารถหมุนเวียนได้ต่ำกว่าความเครียดนั้นอย่างไม่มีกำหนด อะลูมิเนียมไม่มีขีดจำกัดความทนทานที่แท้จริง ดังนั้น การใช้งานที่เป็นวัฏจักรสูงจึงมักจะเหมาะสมกับเหล็กกล้า แม้ว่าจะมีการปรับน้ำหนักก็ตาม

ความแข็งในการดัดงอ: การใช้ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมและเหล็กกล้ากับส่วนจริง

สำหรับลำแสงที่ควบคุมความแข็ง คุณไม่ได้เปรียบเทียบความหนาแน่นเพียงอย่างเดียว คุณเปรียบเทียบความแข็งในการดัดงอ ซึ่งเป็นผลคูณของโมดูลัสของ Young (E) และโมเมนต์ความเฉื่อย (I) ของหน้าตัด โมดูลัสที่สูงขึ้น 2.9 เท่าของลำแสงเหล็กถูกชดเชยด้วยความสามารถของส่วนอะลูมิเนียมในการลำเลียงวัสดุให้ไกลจากแกนกลางมากขึ้น

ตัวอย่างการทำงานที่มีความแข็งเท่ากัน

ท่อเหล็กสี่เหลี่ยมขนาด 100 x 100 x 3 มม. มีโมเมนต์ความเฉื่อย 1.83 x 10 ⁶ มม ⁴ และหนัก 9.1 กก./ม. ท่อสี่เหลี่ยมอะลูมิเนียม 120 x 120 x 5 มม. มีโมเมนต์ความเฉื่อย 5.08 x 10 ⁶ มม ⁴ .

อัตราส่วนความแข็งในการดัดงอ: (68.9 GPa x 5.08) / (200 GPa x 1.83) = 0.96 ภายใน 4 เปอร์เซ็นต์ของความแข็งของชิ้นเนื้อเหล็ก น้ำหนัก: 6.2 กก./ม. เทียบกับ 9.1 กก./ม. ซึ่งประหยัดได้ 32 เปอร์เซ็นต์

หากคุณปรับขนาดส่วนอะลูมิเนียมจนกว่าจะตรงกับน้ำหนักเหล็ก ท่อขนาด 170 x 170 x 5 มม. จะให้ความแข็งในการดัดงอของเหล็กประมาณ 2.8 เท่า

การอัดขึ้นรูปอะลูมิเนียมแบบ T-slot ทำให้เอฟเฟกต์เรขาคณิตนี้ง่ายต่อการใช้งาน โปรไฟล์กลวงที่มีผนังเสริมแรง ช่องลึก และหน้าแปลนกว้างให้โมเมนต์ความเฉื่อยต่อกิโลกรัมสูง ซึ่งเป็นสิ่งที่เฟรมจำกัดการโก่งตัวต้องการ

HS-8-4040D โปรไฟล์อลูมิเนียม T-Slot ความแข็งแรงสูง 4040 พร้อมผนัง 3.2 มม. ด้วยผนังหนา 3.2 มม. และไม่มีรูเจาะล่วงหน้า โปรไฟล์ขนาด 40x40 มม. นี้ให้ความแข็งสูงต่อกิโลกรัม เหมาะกับโครงที่มีน้ำหนักมากซึ่งการโก่งงอของเสาและการโก่งตัวของเสาถือเป็นข้อพิจารณาในการออกแบบที่สำคัญ ดูผลิตภัณฑ์ →

การโก่งงอเพิ่มอีกชั้นหนึ่ง น้ำหนักการโก่งงอของเสาขึ้นอยู่กับ EI หารด้วยกำลังสองของความยาวที่ไม่รองรับ ดังนั้นขาเฟรมที่สร้างจากส่วนอะลูมิเนียมที่ลึกกว่าจึงได้รับข้อได้เปรียบด้านความมั่นคงแบบเดียวกัน สำหรับเฟรมที่มีเสาแนวตั้งสูง สิ่งนี้สำคัญมากกว่าความแข็งแรงของผลผลิต

กฎ 3x ด้วยน้ำหนักที่เท่ากันต่อเมตร สามารถขึ้นรูปส่วนอะลูมิเนียมให้มีความแข็งในการดัดงอได้ประมาณสามเท่าของท่อเหล็กที่เทียบเคียงได้ เนื่องจากความหนาแน่นที่ต่ำกว่าจะทำให้มีหน้าตัดที่ลึกกว่า

การตัดสินใจสร้างเฟรม: เมื่อช่องว่างความหนาแน่นเป็นตัวขับเคลื่อนการเลือกวัสดุ

กฎการเลือกนั้นตรงไปตรงมา: ใช้อะลูมิเนียมเมื่อคำนึงถึงมวล การกัดกร่อน ความเป็นโมดูล หรือต้นทุนการตัดเฉือน ใช้เหล็กเมื่อความแข็งต่อหน่วยปริมาตรในซองคงที่ ความต้านทานต่ออุณหภูมิ หรือต้นทุนวัตถุดิบมีอิทธิพลเหนือ

เลือกการอัดขึ้นรูปอลูมิเนียมเมื่อใด

โครงสำหรับตั้งสิ่งของที่ไวต่อน้ำหนัก ฐานหุ่นยนต์ สายพานลำเลียง และสถานีตรวจสอบ
สภาพแวดล้อมของพืชที่ถูกชะล้างหรือชื้น ซึ่งพื้นผิวอะโนไดซ์ต้านทานการกัดกร่อน
เฟรมโมดูลาร์ T-slot ประกอบกับขั้วต่อมาตรฐานและไม่มีการเชื่อม
การออกแบบที่เปลี่ยนแปลงบ่อยครั้งและได้รับประโยชน์จากการตัดเฉือน CNC และอโนไดซ์แบบกำหนดเอง

เลือกเหล็กเมื่อใด

คานที่วิกฤตต่อความแข็งจะอยู่ภายในเปลือกที่แน่นหนา ซึ่งส่วนดังกล่าวไม่สามารถขยายได้ลึกลงไปอีก
การบริการต่อเนื่องที่สูงกว่า 150°C โดยที่อลูมิเนียมอัลลอยด์สูญเสียความแข็งแรง
การใช้งานความล้าในรอบสูงที่ต้องอาศัยขีดจำกัดความทนทานของเหล็ก
โครงสร้างที่ขับเคลื่อนด้วยต้นทุนซึ่งมีน้ำหนักเพิ่มที่ยอมรับได้และราคาวัสดุมีอิทธิพลเหนือ

โซลูชันไฮบริดทั่วไปวางแผ่นฐานเหล็กและขาสำหรับงานหนักไว้ใต้โครงสร้างด้านบนช่องตัว T อะลูมิเนียม เหล็กรับน้ำหนักพุกแบบเข้มข้น ในขณะที่โครงอะลูมิเนียมช่วยลดน้ำหนักเหนือศีรษะ

สำหรับเฟรมเครื่องจักรที่มีความต้องการสูง ผู้ผลิต เช่น Shanghai Huishuo Aluminium Industry Technology Co., Ltd. รวมตัวกัน โปรไฟล์ 6061 สำหรับงานหนัก ด้วยการทำแม่พิมพ์แบบกำหนดเอง การใช้เครื่องจักร CNC และการตกแต่งพื้นผิวแบบอโนไดซ์ ซีรีส์ที่รับน้ำหนักมากตั้งแต่ 40 มม. ถึง 120 มม. ช่วยให้วิศวกรสามารถจับคู่ความหนาของผนังและรูปทรงของช่องให้ตรงกับเป้าหมายความแข็งได้

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

HS-10-4545 การอัดขึ้นรูปอลูมิเนียม T-Slot สำหรับงานหนัก 4545 พร้อมผนัง 2.4 มม. โปรไฟล์สำหรับงานหนักขนาด 45x45 มม. นี้ใช้โลหะผสม 6063-T5 ความแข็งแรงสูง และช่องขนาด 10.2 มม. สำหรับการเชื่อมต่อที่มีแรงบิดสูง เหมาะสำหรับฐานเครื่องจักรขนาดใหญ่และโครงสร้างแบบจุดรับน้ำหนักที่ต้องการความมั่นคงสูงสุด ดูผลิตภัณฑ์ →

เมื่อการออกแบบต้องรับน้ำหนักจุดที่เข้มข้น ให้ตรวจสอบการโก่งตัวของช่วงที่ไม่ได้รับการสนับสนุน แทนที่จะอาศัยอัตราส่วนความหนาแน่นเพียงอย่างเดียว ซีรีส์ 30, 40 และ 45 มีโปรไฟล์ที่มีผนังหนาและมีความแข็งแรงสูง ซึ่งรองรับการรับน้ำหนักปานกลางและหนัก

คำถามที่พบบ่อย: ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมและเหล็กในการออกแบบเฟรมในชีวิตประจำวัน

ความหนาแน่นที่แน่นอนของอลูมิเนียมกับเหล็กคือเท่าไร?

อะลูมิเนียม 6061-T6 เท่ากับ 2.70 ก./ซม ³ (2,700 กก./ม ³ , 0.098 ปอนด์/นิ้ว ³ ). เหล็กคาร์บอน A36 7.85 ก./ซม ³ (7,850 กก./ม ³ , 0.284 ปอนด์/นิ้ว ³ ). สแตนเลส 304 ประมาณ 8.00 ก./ซม ³ . เหล็กจึงมีความหนาแน่นมากกว่าอลูมิเนียมประมาณ 2.9 เท่า

อลูมิเนียมแข็งแรงกว่าเหล็กด้วยน้ำหนักเท่ากันหรือไม่?

ปกติแล้วใช่ อะลูมิเนียม 6061-T6 มีความแข็งแรงจำเพาะประมาณ 102 kN-m/kg ในขณะที่เหล็ก A36 อยู่ที่ 32 kN-m/kg และ A572 เกรด 50 ที่ 44 kN-m/kg เฉพาะเหล็กที่มีความแข็งแรงสูงมากเท่านั้นที่ให้ผลผลิตประมาณ 690 MPa เท่านั้นที่เริ่มเข้าใกล้ประสิทธิภาพน้ำหนักที่ 6061-T6

เมื่อใดที่ความแตกต่างของความหนาแน่นไม่เหมาะกับอะลูมิเนียม

การออกแบบที่เน้นความแข็งแกร่งโดยไม่มีพื้นที่ให้ลึกส่วน การบริการต่อเนื่องที่สูงกว่า 150°C ความล้าในรอบสูง และโครงการที่ขับเคลื่อนด้วยต้นทุนวัสดุล้วนๆ โมดูลัสที่สูงขึ้น ขีดจำกัดความทนทานที่เป็นประโยชน์ และราคาที่ต่ำกว่าชนะในกรณีเหล่านั้น

เหตุใดจึงใช้โครงอะลูมิเนียม T-slot ในเมื่อเหล็กมีราคาถูกกว่า

เนื่องจากต้นทุนการติดตั้งทั้งหมดต่ำกว่าในเครื่องจักรหลายรุ่น การอัดขึ้นรูป T-slot ช่วยลดการเชื่อมและการจัดตำแหน่ง ยอมรับตัวเชื่อมต่อมาตรฐาน ทนต่อสภาพแวดล้อมที่มีการชะล้างเมื่อทำการชุบอะโนไดซ์ และสามารถกำหนดค่าใหม่สำหรับการเปลี่ยนแปลงเค้าโครงในอนาคต

บรรทัดล่าง ความหนาแน่นของอะลูมิเนียมเทียบกับเหล็กคือ 2.70 ต่อ 7.85 g/cm3 ³ ช่องว่าง 2.9 เท่า ช่องว่างดังกล่าวจะแปลงเป็นอัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักที่ดีขึ้นประมาณ 3 เท่าสำหรับ 6061-T6 ความแข็งเกือบเท่ากันต่อกิโลกรัม และเฟรมที่เบาลง 30 ถึง 50 เปอร์เซ็นต์ เมื่อส่วนต่างๆ ถูกปรับขนาดสำหรับการดัดงอ