Egy gépjármű-akkumulátorsor-integrátor karbantartó mérnökének ki kell cserélnie egy 186 kg-os hegesztett acél gépvázat. Az ugyanarra a külső burkolatra tervezett T-hornyú alumíniumkeret súlya körülbelül 64 kg megmunkálás előtt. Ez a 122 kg-os különbség ezért a az alumínium sűrűsége vs acél (2,70 g/cm 3 durván 7,85 g/cm ellenében 3 ) az egyik első szám, amelyet bármilyen szerkezeti anyag összehasonlításban idéznek.
De a sűrűség önmagában semmit sem dönt el; csak megnyitja az elemzést. A valós eredmény attól függ, hogy a sűrűség hogyan kölcsönhatásba lép a folyáshatárral, a Young-modulussal, a keresztmetszeti geometriával és az összeszerelési módszerrel. Ez a cikk megadja a referenciaértékeket, elmagyarázza a szilárdság/tömeg arány és a merevség matematikáját, és egy gyakorlati kiválasztási keretet fektet le az alumínium extrudálásához és az acélprofilokhoz.
Az alumínium és az acél sűrűsége: referenciaértékek, amelyekre minden tervezőnek szüksége van
Az acél körülbelül 2,9-szer sűrűbb, mint az alumínium, és ez az arány közel állandó marad az általános szerkezeti minőségekben. Az alumínium 6061-T6 mérete 2,70 g/cm 3 , A36 szénacél mérete 7,85 g/cm 3 , és a 304-es rozsdamentes acél mérete körülbelül 8,00 g/cm 3 .
2.70 g/cm 3 alumínium 6061-T6
7.85 g/cm 3 szénacél A36
2,9x acél-alumínium sűrűségarány
~25.5 fajlagos merevség GPa per g/cm 3 , közel egyenlő
Közönséges szerkezeti fémek sűrűsége g/cm-ben 3 . Az acél nagyjából háromszor olyan sűrű, mint az alumínium.
A brit egységekben az alumínium 6061 értéke 0,098 lb/in 3 és acél 0,284 lb/in 3 , megőrizve ugyanazt a 2,9-szeres arányt. Az ötvözés csak kis mértékben tolja el az értékeket: a 7075-T6 eléri a 2,81 g/cm-t 3 , míg a nagy szilárdságú és rozsdamentes acélok a 7,75-8,10 g/cm között maradnak 3 tartományban.
Az alábbi táblázat hozzáadja a folyáshatárt, a rugalmassági modulust és a fajlagos szilárdságot öt fémhez, amelyek rendszeresen versenyeznek az ipari keretekben.
Elterjedt alumíniumötvözetek és szerkezeti acélok sűrűsége és mechanikai tulajdonságai. | Anyag | Sűrűség g/cm 3 | Hozam MPa | E GPa | Fajlagos szilárdság kN-m/kg |
| Alumínium 6061-T6 | 2.70 | 276 | 68.9 | 102 |
| Alumínium 7075-T6 | 2.81 | 503 | 71.7 | 179 |
| Acél A36 | 7.85 | 250 | 200 | 32 |
| Acél A572, 50. osztály | 7.85 | 345 | 200 | 44 |
| Rozsdamentes acél 304 | 8.00 | 205 | 193 | 26 |
Tömegegységenként egyenlő merevség. Mivel az acél Young-modulusa (200 GPa) majdnem ugyanaz a többszöröse az alumínium 69 GPa-jának, mint a sűrűsége, bármelyik fém feszítő- vagy nyomóelemének kilogrammonkénti merevsége közel azonos.
Erő-tömeg arány: Amikor a sűrűség megfordítja az ítéletet
A hozamkorlátozott kivitelben az alumínium 6061-T6 nagyjából háromszor akkora teherbírást biztosít, mint az A36 acél azonos súly mellett.
Meghatározás A fajlagos szilárdság egyenlő a folyáshatár osztva a sűrűséggel. Azt fejezi ki, hogy egy kilogramm anyag mekkora terhelést tud elbírni, mielőtt kiadná magát.
A számok öt szerkezeti fokozaton való futtatása egyértelművé teszi a mintát.
- Alumínium 6061-T6: 276 MPa hozam / 2,70 g/cm 3 102 kN-m/kg.
- A36 acél: 250 MPa / 7,85 g/cm 3 32 kN-m/kg.
- Alumínium 7075-T6: 503 MPa / 2,81 g/cm 3 eléri a 179 kN-m/kg-ot.
- Acél A572 Grade 50: 345 MPa / 7,85 g/cm 3 eléri a 44 kN-m/kg-ot.
Az extrudálási beszállítók ezt gyakorlati geometriába fordítják: a nagy szilárdságú 3030-as profil 2,0 mm-es falával észrevehetően nagyobb terhelést hordoz, mint egy szabványos 3030-as profil, csak kismértékű méterenkénti tömegnövekedés mellett. A falvastagság megadása gyakran gyorsabb út a teherbíráshoz, mint egy nagyobb sorozatra ugrás.
HS-8-3030A nagy szilárdságú 3030 T-nyílású alumíniumprofil 2,0 mm-es fallal Ez a 30x30 mm-es profil 2,0 mm-es vastagságú falakkal és 0,85 kg/m súllyal megnöveli a terhelhetőséget a szabványos 3030-as szelvényekhez képest, így praktikus választás a kifáradás- és elhajláskorlátozott keretekhez, ahol a merevség számít. Termék megtekintése → Csak feszültséggel rendelkező tagok. Az azonos szilárdságú alumínium feszítőelem az A36-os acél megfelelőjének körülbelül 31%-át nyomja, így a tömeg közel 69%-át megtakarítja. Ez az oka annak, hogy a sűrűségkülönbség döntő előnyt jelent, amikor a kilogrammonkénti teherbírás a tervezési hajtóerő.
A fáradtság megváltoztatja a képet. Az acél kifáradástűrési határa a végső szilárdságának 40-50 százaléka körül van, ami azt jelenti, hogy ez alatt a feszültség alatt korlátlan ideig tud ciklusozni. Az alumíniumnak nincs valódi tartóssági korlátja, így az erősen ciklikus alkalmazások gyakran még súlybüntetés mellett is indokolják az acél használatát.
Hajlítási merevség: Az alumínium és az acél sűrűségének alkalmazása valódi profilokra
A merevség-szabályozott gerendák esetében nem kell egyedül a sűrűséget összehasonlítani; összehasonlítja a hajlítási merevséget, amely a Young-modulus (E) és a keresztmetszet tehetetlenségi nyomatéka (I) szorzata. Az acélgerendák 2,9-szer nagyobb modulusát ellensúlyozza az alumínium profil azon képessége, hogy több anyagot szállítson távolabb a semleges tengelytől.
Egyenlő merevség működő példa Egy 100 x 100 x 3 mm-es négyzet alakú acélcső tehetetlenségi nyomatéka 1,83 x 10 6 mm 4 és súlya 9,1 kg/m. Egy alumínium 120 x 120 x 5 mm-es négyzet alakú cső tehetetlenségi nyomatéka 5,08 x 10 6 mm 4 .
Hajlítási-merevség arány: (68,9 GPa x 5,08) / (200 GPa x 1,83) = 0,96, az acélelem merevségének 4 százalékán belül. Súly: 6,2 kg/m versus 9,1 kg/m, 32 százalékos megtakarítás.
Ha az alumíniumprofilt addig méretezi, amíg az megegyezik az acél súlyával, egy 170 x 170 x 5 mm-es cső nagyjából 2,8-szorosa az acél hajlítási merevségének.
A T-hornyos alumínium extrudálások megkönnyítik ennek a geometriai hatásnak a kihasználását. Az üreges profilok megerősített falakkal, mély résekkel és széles karimákkal nagy tehetetlenségi nyomatékot biztosítanak kilogrammonként, pontosan erre van szükség a korlátozott hajlítású kereteknél.
HS-8-4040D nagy szilárdságú 4040 T-hornyú alumínium profil 3,2 mm-es fallal A 3,2 mm-es vastagságú fal és az előre fúrt lyukak nélküli 40x40 mm-es profil nagy merevséget kínál kilogrammonként. Nehéz keretekhez illeszkedik, ahol az oszlop kihajlása és elhajlása kritikus tervezési szempont. Termék megtekintése → A kihajlás újabb réteget ad hozzá. Az oszlop kihajlási terhelése attól függ, hogy az EI osztva a támaszték nélküli hossz négyzetével, így a mélyebb alumínium szakaszból épített keretláb ugyanazt a stabilitási előnyt örökli. A magas függőleges oszlopokkal rendelkező kereteknél ez többet számít, mint a folyáshatár.
A 3x szabály. Egyenlő méterenkénti tömeg mellett egy alumínium profil úgy alakítható ki, hogy nagyjából háromszor akkora hajlítási merevséget biztosítson, mint egy hasonló acélcső, mivel az alacsonyabb sűrűség mélyebb keresztmetszetet tesz lehetővé.
Keretépítési döntések: Amikor a sűrűségrés készteti az anyagválasztást
A kiválasztási szabály közvetlen: használjon alumíniumot, ha a tömeg, a korrózió, a modularitás vagy a megmunkálási költség számít; akkor használjon acélt, ha az egységnyi térfogatra eső merevség rögzített burokban, a hőmérsékletállóság vagy a nyersanyagköltség dominál.
Válassza az alumínium extrudálást, amikor
- Súlyérzékeny portálok, robotbázisok, szállítószalagok és ellenőrző állomások
- Lemosható vagy nedves növényi környezet, ahol az eloxált felületek ellenállnak a korróziónak
- Moduláris T-hornyos keretek szabványos csatlakozókkal összeszerelve, hegesztés nélkül
- Gyakran változó kialakítások, amelyek előnyösek a CNC-megmunkálásból és az egyedi eloxálásból
Válasszon acélt, amikor
- Merevségkritikus gerendák egy szűk burkolaton belül, ahol a szakasz nem tud mélyebbre nőni
- Folyamatos üzemelés 150°C felett, ahol az alumíniumötvözetek veszítenek szilárdságából
- Nagy ciklusú kifáradási alkalmazások, amelyek az acél tartóssági határára támaszkodnak
- Költségvezérelt szerkezetek, ahol az extra súly elfogadható és az anyagár dominál
Egy elterjedt hibrid megoldás acél alaplemezeket és nagy teherbírású lábakat helyez az alumínium T-hornyos felső szerkezet alá. Az acél koncentrált horgonyterhelést hordoz, míg az alumínium keret alacsonyan tartja a fej súlyát.
Az igényes gépvázakhoz olyan gyártók kombinálnak, mint a Shanghai Huishuo Aluminium Industry Technology Co., Ltd. nagy teherbírású 6061 profilok egyedi formakészítéssel, CNC megmunkálással és eloxált felületkezeléssel. A 40 mm-től 120 mm-ig terjedő nagy terhelésű sorozatok lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy a falvastagságot és a résgeometriát a merevségi célhoz igazítsák.
HS-10-4545 Nagy teherbírású 4545 T-nyílású alumínium extrudálás 2,4 mm-es falakkal Ez a 45x45 mm-es nagy teherbírású profil nagy szilárdságú 6063-T5 ötvözetet és 10,2 mm-es nyílást használ a nagy nyomatékú csatlakozásokhoz. Ideális nagy gépalapokhoz és pontterhelésű szerkezetekhez, amelyek maximális stabilitást igényelnek. Termék megtekintése → Ha a tervezésnek koncentrált pontterhelést kell viselnie, ellenőrizze a támaszték nélküli fesztáv elhajlását, ne csak a sűrűségarányokra hagyatkozzon. A 30-as, 40-es és 45-ös sorozat vastagított falú, nagy szilárdságú profilokat tartalmaz, amelyek megfelelnek a közepes és nagy teherbírásnak.
GYIK: Az alumínium és az acél sűrűsége a mindennapi kerettervezésben
Mi az alumínium vs acél pontos sűrűsége?
Az alumínium 6061-T6 2,70 g/cm 3 (2700 kg/m 3 , 0,098 lb/in 3 ). Az A36 szénacél 7,85 g/cm 3 (7850 kg/m 3 , 0,284 lb/in 3 ). A 304-es rozsdamentes acél körülbelül 8,00 g/cm 3 . Az acél ezért körülbelül 2,9-szer sűrűbb, mint az alumínium.
Az alumínium erősebb, mint az acél azonos súly mellett?
Általában igen. Az alumínium 6061-T6 fajlagos szilárdsága körülbelül 102 kN-m/kg, míg az A36 acél 32 kN-m/kg, az A572 Grade 50 pedig 44 kN-m/kg. Csak a nagyon nagy szilárdságú, 690 MPa körüli acélok kezdik megközelíteni a 6061-T6 súlyhatékonyságát.
Mikor nem kedvez a sűrűségkülönbség az alumíniumnak?
Merevség szempontjából kritikus kialakítások, ahol nincs hely a szakasz mélyítésére, folyamatos szervizelés 150°C felett, nagy ciklusú kifáradás és tisztán anyagköltség-vezérelt projektek. Az acél magasabb modulusa, hasznos tartóssági határa és alacsonyabb árnyeresége ezekben az esetekben.
Miért használjunk alumínium T-hornyos keretet, ha az acél olcsóbb?
Mivel a teljes beépítési költség sok gépgyártásnál alacsonyabb. A T-hornyos extrudálás kiküszöböli a hegesztést és az igazítást, elfogadja a szabványos csatlakozókat, túléli az eloxált lemosási környezetet, és újrakonfigurálható a jövőbeni elrendezési változtatásokhoz.
A lényeg. Az alumínium és az acél sűrűsége 2,70, szemben a 7,85 g/cm-rel 3 , 2,9-szeres rés. Ez a rés nagyjából háromszor jobb szilárdság/tömeg arányt eredményez a 6061-T6 esetében, közel azonos kilogrammonkénti merevséget, és 30-50 százalékkal könnyebb kereteket, ha a szakaszokat átméretezzük a hajlításhoz.
