تفاوت فولاد و آلومینیوم

[rkiahoseyni]

مقدمه:

 

تنوع بخشیدن به پایگاه مشتری تاکتیک رایجی است که شرکت ها اغلب برای جلوگیری از مشکلات مالی در زمانی که  مشتری های اصلی آنها مشکلات تولید غیرمنتظره ای را تجربه می کند، اتخاذ می کنند. بسیاری از شرکت ها با سابقه طولانی در تولید قطعات ورق فلزی خودرو در حال آماده سازی طرح های متنوع سازی برای گنجاندن صنعت هوافضا در مجموعه مشتریان خود هستند. به عنوان مثال در ابتدای سال 2020، کشور مکزیک در تولید خودروهای سبک در سراسر جهان ششمین و در صادرات قطعات هوافضا رتبه دوازدهم را به خود اختصاص داد. صنعت هوافضا با اجزای سبک وزن، حجم کم و ترکیب بالایی از شماره قطعات مشخص می شود. فلزات اصلی مورد استفاده در صنعت هوا فضا، قطعات ورق فلز آلومینیوم و تیتانیوم هستند که اکثر شرکت های بزرگ تولید فلزات در جهان تجربه کار با آنها را ندارند.

برای کمک به شرکت‌هایی که فقط در فولادهای کم استحکام (LSS) یا فولادهای کشش عمیق (DDS) تجربه دارند، و در این فکر هستند که برای یک طرح متنوع سازی احتمالی که شامل اجزای آلومینیومی است، آماده شوند، هفت تفاوت اساسی بین فولاد و آلومینیوم در زیر ارائه شده است.

-         مغناطیس

-         مدول یانگ

-         ظرفیت تغییر شکل پس از گردن زدن

-         ضریب لنکفورد (R-value)

-         توان سخت شدن کرنش، مقدار n

-         شیب منحنی تنش-کرنش واقعی توسعه یافته (اشباع)

-         ظرفیت تغییر شکل در عملیات کشش

 

 

مغناطیس:

 

فولاد ساختار مولکولی مکعبی مرکزدار (BCC) را در دمای محیط نشان می‌دهد، در حالی که آلومینیوم دارای ساختار مکعبی با اتم در مرکز وجوه (FCC) است. هر کسی می تواند این تفاوت را با استفاده از آهنربا تشخیص دهد که فولاد به شدت توسط یک نیروی مغناطیسی جذب می شود در حالی که آلومینیوم کاملاً خنثی عمل می کند. خاصیت مغناطیسی فولاد خواصی کاربردی را ایجاد می کند. به عنوان مثال با ایجاد چندین تغییر در کار با مواد، کویل‌ها و قطعات می توان حسگرهایی را ساخت که وضعیت فلز در درون قالب ها، کوره ها و غیره را تعیین نماید. یکی از نمونه‌های تغییر، انتخاب و قرار دادن تجهیزاتی است که از آهنربا برای فولاد استفاده می‌کنند، که با آلومینیوم کار نمی‌کند و ربات های صنعتی می توانند بر اساس این خاصیت کار کنند.

 

 

مدول یانگ:

این یک ویژگی مکانیکی است که سفتی کششی یک ماده جامد را اندازه گیری می کند. درشکل زیر رابطه بین تنش کششی و کرنش محوری در ناحیه الاستیک خطی برای فولاد و آلومینیوم نشان داده شده است. شیب خط نشان دهنده مدول یانگ هر ماده می باشد.

 

 

 

این خاصیت مکانیکی با نتایج برگشت فنری نسبت معکوس دارد. اگر دو صفحه از مواد مختلف، یکی از فولاد و دیگری آلومینیوم، با ابزار یکسان استفاده شود، شکل نهایی متفاوت خواهد بود (شکل زیر را ببینید). در این شرایط نمونه آلومینیومی در مقایسه با قطعه فولادی، برگشت فنری بالاتری را نشان می دهد.

 

 

 

ظرفیت تغییر شکل پس از ناحیه گلویی (تسلیم):

امروزه شروع گلویی شدن به عنوان شکست در پانل های کشی تلقی می شود. گردن قبل از شروع شکست رخ می دهد. مطابق شکل زیر، فولاد می‌تواند تغییر شکل اضافی را پس از رسیدن به حد ازدیاد طول یکنواخت (UE) و شروع گلویی شدن، گاهی اوقات تقریباً دو برابر مقدار حدی UE نگه دارد. از طرف دیگر، آلومینیوم پس از رسیدن به حد UE (کمتر از 10٪ مقدار UE) نمی تواند تغییر شکل اضافی را تحمل کند.

 

 

 

ضریب لنکفورد (R-value

ضریب لانکفورد که بیشتر به عنوان R-value شناخته می شود، نسبت بین کرنش در جهت عرض و کاهش ضخامت در طول آزمایش کشش است. این ضریب می تواند به پیش بینی توزیع تغییر شکل سطحی و ضخامتی در هنگام کشیدن یک ماده کمک کند. زمانی که R-value یک مقدار کاهش یافته را نشان می دهد، تغییر شکل روی سطح ورق فلز بر روی ضخامت متمرکز می شود. همین امر برای ضخیم شدن نیز صادق است. هنگامی که ماده فشرده می شود، به عنوان مثال، در زیر یک جای خالی، مواد با R-value پایین تر، افزایش قابل توجهی در ضخامت در طول فرآیند کشیدن ایجاد می کنند.

 

 

توان سخت شدن کرنش (n-value

 

مدل‌سازی ناحیه الاستیک در منحنی تنش-کرنش مهندسی بسیار ساده است که با معادله خط با استفاده از مدول یانگ به عنوان شیب نشان داده می‌شود. با این حال، نشان دادن ناحیه پلاستیکی تا حد ازدیاد طول یکنواخت یا نقطه گردن پیچیده‌تر است، زیرا ناحیه پلاستیکی مستقیم نیست. یک راه متداول برای مدل‌سازی ناحیه پلاستیکی در فولادهای کششی عمیق، استفاده از معادله قانون توان (هولومون) است. برای بهبود مدل‌سازی ناحیه پلاستیک، منحنی تنش-کرنش واقعی به مقیاس لگاریتمی تبدیل می‌شود.

مقدار n توصیف می کند که چگونه یک ماده تنش را در سراسر ورق توزیع می کند، بنابراین از تشکیل گردن های موضعی جلوگیری می کند. در یک تحقیق علمی مقایسه ای بین مقدار n برای فولاد DC05 و آلومینیوم 5754 در امتداد تغییر شکل پلاستیک تا رسیدن به ازدیاد طول یکنواخت (UE) ارائه شده است. مقدار n برای DC05 ثابت در نظر گرفته می شود در حالی که مقدار n برای آلومینیوم متفاوت است و با رسیدن کرنش به UE به شدت کاهش می یابد. این رفتار دینامیکی در طول ناحیه پلاستیک نشان می‌دهد که آلومینیوم ظرفیت خوبی برای توزیع تنش‌ها در اوایل ناحیه پلاستیکی خواهد داشت، اما با افزایش کرنش، آلومینیوم تمایل به ایجاد گلویی موضعی و تولید شکاف دارد.

 

 

شیب منحنی تنش-کرنش واقعی توسعه یافته (اشباع):

برای تسهیل محاسبات اجزای محدود، منحنی تنش-کرنش واقعی باید تا 100% تغییر شکل گسترش یابد. در مقایسه منحنی های آلومینیوم و فولاد مشاهده شده است که دو منحنی توسعه یافته دارای شیب های متفاوتی خواهند بود. کاهش شیب آلومینیومی نشان دهنده کاهش ظرفیت تغییر شکل آن نزدیک و بعد از UE است. این رفتار به این معنی است که هر گونه افزایش تنش بر روی مواد باعث کرنش‌های بالاتری می‌شود که تنظیم کردن ابزارآزمایی را دشوارتر می‌کند و در برخی موارد، اجتناب از شکاف را سخت‌تر می نماید.

 

 

ظرفیت تغییر شکل در عملیات کشش:

نمودار حد شکل دهی (FLD) محبوب ترین معیار برای پیش بینی شکست در عملیات شکل دهی ورق است. این نشان دهنده ترکیبی از کرنش های اصلی و فرعی است که می تواند بدون شکست روی یک ورق فلز اعمال شود. در استاندارد ISO 12004، شروع گلویی موضعی به عنوان معیار خرابی ورق انتخاب شده است. از آنجایی که آلومینیوم مقادیر R و n کمتری را نزدیک به UE نشان می دهد، حداکثر منحنی حد تشکیل (FLC) در مقایسه با DDS کوچکتر است که نشان دهنده ظرفیت کرنش کمتر می باشد.

 

گردآورنده: سید رحیم کیاحسینی