چقدر آلومینیوم محکم است و استحکام آن در مقایسه با فولاد چگونه است؟

وقتی به مواد محکم فکر می کنیم، چه برای یک پروژه و چه در گفتگوی عمومی، آلومینیوم معمولاً اولین ماده ای نیست که به ذهن مردم می رسد. بسیاری آلومینیوم را با ورق فویل، قوطی های نوشابه و مبلمان تاشو مرتبط می دانند – محصولاتی که دقیقاً تجسم استحکام نیستند.

از طرف دیگر، فولاد به احتمال زیاد در صدر فهرست قرار می گیرد، اگر به دنبال ماده ای محکم هستید. میله های زندان، قاب ماشین، تیرهای نگهدارنده ساختمان و کشتی ها عمدتاً از فولاد ساخته شده اند.

آیا اختلاف استحکام بین این دو ماده به این بزرگی است؟ آیا آنها در رده بندی استحکام قابل مقایسه هستند؟ در این مقاله سعی خواهیم کرد نشان دهیم که تصورات ما در مورد استحکام این دو ماده ممکن است کاملاً دقیق نباشد.

فهرست مطالب

• استحکام چیست؟ انواع مختلف اندازه گیری استحکام در مواد
  • استحکام تسلیم در مقابل استحکام نهایی
• گریدهای مختلف آلومینیوم، استحکام های مختلف
• آیا آلومینیوم در مقایسه با فولاد محکم است؟
• قوی ترین آلیاژهای آلومینیوم و کاربردهای آنها نتیجه گیری: به استحکام به صورت مجزا نگاه نکنید

استحکام چیست؟ انواع مختلف اندازه گیری استحکام در مواد

مقایسه استحکام این مواد سخت است مگر اینکه ابتدا توافق داشته باشیم که “استحکام” به چه معناست.

تعریف ساده شده از استحکام یک ماده، توانایی آن در تحمل مقدار معینی از بار، که همچنین به عنوان نیرو یا فشار شناخته می شود، قبل از رسیدن به نقاط خاصی از تغییر شکل یا کرنش است. یک روش معمولی برای تجسم این، منحنی تنش-کرنش شناخته شده است، که در مثال زیر نشان داده شده است.

این منحنی ها معمولاً با استفاده از نمونه ای از مواد مانند آلومینیوم و اعمال نیروی کششی برای ایجاد تغییر شکل تا نقطه پارگی ساخته می شوند. تنش و در نتیجه استحکام ماده معمولاً بر حسب مگاپاسکال (MPa) یا کیلوپوند بر اینچ مربع (ksi) اندازه گیری می شود. تغییر شکل به عنوان درصدی از طول اولیه نمونه اندازه گیری می شود.

استحکام تسلیم در مقابل استحکام نهایی

منحنی تنش-کرنش در شکل بالا دو نقطه بسیار مهم را نشان می دهد: استحکام تسلیم و استحکام نهایی.

استحکام تسلیم به حداکثر مقدار بار اشاره دارد که ماده می تواند قبل از متحمل شدن تغییر شکل دائم)تحمل کند. تا این نقطه، تمام تغییر شکلی که ماده متحمل می شود، اگر بار برداشته شود قابل برگشت است. این را مانند یک نوار لاستیکی در نظر بگیرید که وقتی آن را می کشید، بدون رسیدن به نقطه تسلیم تغییر شکل می دهد زیرا اگر اعمال نیرو را متوقف کنید، به شکل اصلی خود باز می گردد.

از طرف دیگر، استحکام نهایی حداکثر تنشی است که یک ماده می تواند قبل از شکست یا پارگی تحمل کند. تمام تغییر شکلی که بین استحکام تسلیم و استحکام نهایی رخ می دهد، تغییر شکل پلاستیکی است.

این آزمون تنش-کرنش را می توان با استفاده از انواع مختلف نیروهای اعمال شده انجام داد. رایج ترین مورد با اعمال استحکام کششی انجام می شود، یعنی با جدا کردن مواد. با انجام این آزمایش، می توانیم استحکام کششی نهایی یک ماده را تعیین کنیم، که رایج ترین معیاری است که استحکام بر اساس آن مقایسه می شود.

سه متریالی که در بالا می بینید تحت یک نیروی کششی قرار گرفته اند (از هم جدا شده اند).

ماده (A) شکننده است و بدون تغییر شکل پلاستیکی می شکند
ماده (B) مقداری تغییر شکل پلاستیکی را پشت سر می گذارد
ماده (C) بسیار انعطاف پذیر است و قبل از شکست دچار تغییر شکل قابل توجهی می شود.
می بینید که ماده (a) شکننده ترین و ماده (c) انعطاف پذیرترین است.

گریدهای مختلف آلومینیوم، استحکام های مختلف

استحکام کششی نهایی آلومینیوم یک ویژگی بسیار متغیر است. این به این دلیل است که آلومینیوم بسته به عناصر آلیاژی که استفاده می شود و به چه مقدار، در گریدهای مختلفی عرضه می شود که هر کدام تأثیر متفاوتی بر استحکام دارند.

اگرچه برخی از گریدهای آلومینیوم به هیچ وجه محکم نیستند، مانند آلومینیوم خالص که یک فلز نسبتاً نرم است، برخی از آلیاژهای آن می توانند استحکام قابل توجهی به دست آورند.

آیا آلومینیوم در مقایسه با فولاد محکم است؟

بسیاری از گریدهای آلومینیوم را می توان بسیار محکم در نظر گرفت، حتی در مقام مقایسه با برخی فولادها. با این وجود، مقایسه نمونه هایی با اندازه مساوی از قوی ترین آلیاژهای آلومینیوم و آلیاژهای فولادی، بیشتر اوقات فولاد قوی تر خواهد بود.

به عنوان مثال، حداکثر استحکام کششی یکی از قوی ترین آلیاژهای آلومینیوم رایج، AA7068-T6، و یکی از قوی ترین آلیاژهای فولادی، AISI 1080، به ترتیب 710 مگاپاسکال و 965 مگاپاسکال است. در اینجا می توانید مقایسه ای از استحکام تسلیم و استحکام کششی نهایی آنها را مشاهده کنید.

با این حال، اگر نسبت استحکام به وزن را مقایسه کنید، یعنی اینکه چقدر هر ماده استحکام را بر حسب وزن به ارمغان می آورد، آلیاژهای آلومینیوم بسیار بیشتر از آنچه تصور می کنید به فولاد نزدیک می شوند. در برخی موارد، حتی از فولاد هم بهتر عمل می کنند.

این نشان می دهد که استحکام به تنهایی معیار خوبی برای انتخاب مواد نیست. اگر ماده ای بسیار محکم با چگالی کمتر می خواهید، آلومینیوم ممکن است انتخاب بهتری باشد.

نتیجه گیری: به استحکام به صورت مجزا نگاه نکنید

فولاد به طور معمول از آلومینیوم بسیار محکم تر است. با این وجود، استحکام تنها یکی از بسیاری از خواصی است که باید هنگام انتخاب مواد برای یک پروژه در نظر گرفته شود و آلومینیوم ویژگی های زیادی دارد که آن را به رقیبی برای فولاد با مزایای نظیر وزن کمتر و هزینه پایینتر تبدیل می کند.

+منبع ترجمه و تلخیص:الکامهرکیمبا