ليست مقاومة شد الألومنيوم رقمًا ثابتًا واحدًا. فهي تتراوح من نحو 60 MPa للمواد اللينة من سلسلة 1xxx إلى أكثر من 600 MPa للأنابيب المتخصصة عالية المقاومة. وتؤثر السبيكة والحالة وشكل المنتج والسُمك واتجاه الاختبار جميعها في القيمة المعلنة.
تشمل القيم المرجعية الشائعة نحو 230 MPa لأنبوب 5052-H32، وما لا يقل عن 260 MPa لمقطع بثق قياسي من 6061-T6، ونحو 572 MPa لقضيب أو عارضة من 7075-T651. وهذه الأرقام مفيدة للمقارنة، لكنها ليست قيم تصميم مسموحًا باستخدامها بالتبادل.
جدول مقاومة شد الألومنيوم
يستخدم الجدول أدناه بيانات شركات مصنّعة قابلة للتتبع. وهو يجمع عمدًا بين القيم النموذجية والقيم الدنيا لأن كليهما يُستخدم في الأعمال الهندسية.
| السبيكة والحالة | أساس المنتج | مقاومة الشد القصوى | مقاومة الخضوع أو إجهاد الإثبات عند 0.2% |
|---|---|---|---|
| 1060-O | بثق | 60-95 MPa (8.7-13.8 ksi) | 15 MPa كحد أدنى (2.2 ksi) |
| 1100-O | بثق | 75-105 MPa (10.9-15.2 ksi) | 25 MPa كحد أدنى (3.6 ksi) |
| 5052-H32 | أنبوب ومواسير | 230 MPa (33 ksi) | 195 MPa (28 ksi) |
| 6063-T5 | بثق | 145-150 MPa (21-22 ksi) | تعتمد على سُمك الجدار |
| 6063-T6 | بثق | 205 MPa (30 ksi) | تعتمد على سُمك الجدار |
| 6061-T6/T651 | بثق | 260 MPa (38 ksi) | 240 MPa (35 ksi) |
| 6082-T6 | بثق وفق EN | 290-310 MPa (42-45 ksi) | 250-260 MPa (36-38 ksi) |
| 7075-T651 | قضيب وعارضة | 572 MPa (83 ksi) | 503 MPa (73 ksi) |
هذا الجدول أداة للمقارنة وليس بديلًا عن مواصفة المواد. وحتى عند استخدام السبيكة والحالة نفسيهما، قد تختلف المتطلبات بين الصفائح والألواح والقضبان والأنابيب والمقاطع المبثوقة. كما قد تكون للأقسام السميكة والرقيقة قيم دنيا مختلفة.
مقاومة الشد ومقاومة الخضوع ومقاومة الكسر
مقاومة الشد القصوى، أو UTS، هي أعلى إجهاد هندسي يُسجَّل أثناء اختبار الشد. وتُحسب بقسمة الحمل الأقصى على مساحة المقطع العرضي الأصلية للعينة:
UTS = أقصى حمل شد / مساحة المقطع العرضي الأصلية
تشير مقاومة الخضوع إلى بداية التشوه الدائم. وغالبًا لا يظهر للألومنيوم حد خضوع حاد، لذلك تستخدم المواصفات عادة مقاومة الخضوع بإزاحة 0.2%. وقد تسميها المستندات الأوروبية إجهاد الإثبات عند 0.2%.
مقاومة الكسر هي الإجهاد الهندسي عند انكسار العينة. وقد تكون أقل من UTS لأن العينة المطيلة تبدأ في تكوين عنق بعد بلوغ الحمل الأقصى.
في معظم التصميمات الساكنة، تتحكم مقاومة الخضوع أو إجهاد الإثبات في أول تشوه دائم غير مقبول. وتظل UTS مهمة لمقارنة المواد ومراقبة الجودة وفحوص الكسر. ولا ينبغي استخدام أي من القيمتين دون قواعد التصميم المطبقة.
تمثل النقطة f على المنحنى في الشكل نقطة مقاومة الشد.
لماذا تتغير القيمة بهذا القدر؟
تركيب السبيكة ومسار التقوية
يقوي المغنيسيوم سبائك 5xxx من خلال التقوية بالمحلول الصلب والتصلد بالتشوه. ويمكن لعائلات 2xxx و6xxx و7xxx اكتساب مقاومة كبيرة من خلال المعالجة الحرارية بالترسيب.
يختلف سلوك منتج 6061 في الحالة O اختلافًا كبيرًا عن 6061-T6. وبالمثل، تمثل 5052-H32 مقدارًا محددًا من التصلد بالتشوه والتثبيت.
الحالة وطريقة المعالجة
يرفع التشغيل على البارد عادة مقاومة الشد ومقاومة الخضوع مع خفض المطيلية. ويمكن للمعالجة بالمحلول والتعتيق تقوية السبائك القابلة للمعالجة الحرارية. وقد تعكس التسخين غير المنضبط جزءًا من هذه الفائدة.
لا يحول التشغيل الآلي أو الأنودة السبيكة الأساسية إلى حالة أقوى. وقد يؤثران في الهندسة الموضعية أو الإجهادات المتبقية أو سلوك الكلال أو أداء السطح، لكنهما لا يبرران استبدال قيمة مقاومة الشد المعتمدة للمادة الأساسية.
شكل المنتج وحجم المقطع والاتجاه
ينشئ الدرفلة والبثق والسحب والحدادة بُنى مجهرية واتجاهات نسيجية مختلفة. لذلك تفصل المواصفات بين الصفائح والألواح والقضبان والعارضات والأنابيب والمطروقات والمقاطع المبثوقة. وقد يكون اتجاه الاختبار مهمًا لأن المنتجات المشغولة غير متجانسة الخواص.
حجم المقطع مهم أيضًا. فقد يبرد المقطع المبثوق السميك ويُعالج بالتعتيق بصورة تختلف عن الجدار الرقيق. ولهذا تقسم بيانات 6063 و6082 أعلاه المتطلبات وفق سُمك الجدار وهندسة المقطع.
كيف تُختبر مقاومة شد الألومنيوم؟
تُسحب عينة مشغلة أو عينة بكامل المقطع تحت حمل أحادي المحور مضبوط. ويسجل الاختبار الحمل والاستطالة حتى الكسر. وتُستخدم الأبعاد الأصلية لتحويل الحمل إلى إجهاد هندسي، بينما يقيس مقياس الاستطالة الانفعال على طول قياس محدد.
غالبًا ما تشير مواصفات منتجات الألومنيوم في أمريكا الشمالية إلى ASTM B557 أو B557M. وتشير ASTM إلى أن العينة القياسية قد لا تمثل المنتج النهائي كاملًا. وقد تشير الاختبارات العامة للمعادن بدلًا من ذلك إلى ASTM E8/E8M. ويشيع استخدام ISO 6892-1 في أوروبا ودوليًا للاختبار عند درجة حرارة الغرفة.
يجب أن يحدد التقرير القابل للاستخدام المعيار واتجاه العينة. كما ينبغي أن يذكر السبيكة والحالة وشكل المنتج والأبعاد ودرجة حرارة الاختبار. وتشمل النتائج عادة UTS ومقاومة الخضوع أو إجهاد الإثبات والاستطالة.
لا تحدد عينة واحدة خصائص كل جزء في الشحنة. وتأتي معايير القبول من مواصفة الشراء وخطة أخذ العينات ومتطلبات تتبع الدفعة. يوضح عرضنا حول اختبارات المواد في معالجة الألومنيوم كيف تتكامل نتائج الشد مع فحوص التركيب الكيميائي والصلادة والأبعاد والسطح.
ماذا يحدث بعد اللحام أو عند درجات الحرارة المرتفعة؟
لا ينبغي نقل بيانات المعدن الأساسي عند درجة حرارة الغرفة مباشرة إلى تصميم ملحوم. فقد يؤدي اللحام الانصهاري إلى تليين المنطقة المتأثرة بالحرارة في سبائك 6xxx المقواة بالترسيب. وتشير صحائف بيانات Hydro لكل من 6061 و6063 إلى انخفاض خصائص T6 قرب اللحامات.
يعتمد مقدار الانخفاض على السبيكة والحالة وعملية اللحام ومدخل الحرارة ومعدن الحشو وهندسة الوصلة وأي معالجة بعد اللحام. استخدم الكود الإنشائي الحاكم أو بيانات وصلات مؤهلة. ولا تسند قيمة T6 للمادة غير الملحومة إلى المنطقة الموضعية المتأثرة بالحرارة.
تسبب درجة الحرارة مشكلة نطاق مماثلة. فالجدول أعلاه يعرض بيانات عند درجة حرارة الغرفة. وإذا كان المكون سيتحمل حملًا وهو ساخن، فاستخدم بيانات مقاومة خاصة بدرجة الحرارة والكود المطبق. ولا يثبت شهادة درجة حرارة الغرفة القدرة عند درجة حرارة مرتفعة.
كيفية اختيار قيمة المقاومة الصحيحة
ابدأ بالجزء، لا بجدول عام.
- حدد حالة الحمل وحد الفشل. قرر ما إذا كان الخضوع أو الانهيار النهائي أو الكلال أو الانبعاج أو سلوك الوصلة هو الحاكم.
- ثبت السبيكة والحالة وشكل المنتج. أدرج سُمك الجدار أو اللوح وأي اتجاه حبيبي مطلوب.
- حدد معايير المواد والتصميم المطبقة للسوق المستهدف والاستخدام النهائي.
- استخدم فئة الخاصية الصحيحة. افصل بين القيم النموذجية والدنيا وقيم التصميم.
- راعِ التصنيع. راجع التشكيل واللحام والمعالجة الحرارية والتشغيل الآلي ودرجة حرارة الخدمة.
- حدد التحقق. اذكر في الرسم أو أمر الشراء الشهادة المطلوبة وتتبع الدفعة وأخذ العينات وطريقة الاختبار.
يمنع هذا التسلسل خطأ شائعًا في التوريد: اختيار سبيكة بناءً على قيمة UTS مرتفعة، ثم شراء حالة أو شكل منتج مختلفين. كما يمنع المقاومة من إغفال مقاومة التآكل وقابلية التشكيل واللحام والتشطيب والتكلفة. ويشرح دليلنا حول اختيار سبيكة بثق الألومنيوم المناسبة هذه المفاضلات بمزيد من التفصيل.
ما الذي ينبغي طلبه من مورد الألومنيوم؟
بالنسبة إلى جزء حرج من ناحية المقاومة، أرسل أكثر من رقم السبيكة. ويتضمن الطلب المفيد:
- الرسم ورقم المراجعة؛
- السبيكة والحالة ومواصفة المنتج؛
- شكل المنتج وسُمك المقطع الحرج؛
- الحد الأدنى المطلوب لمقاومة الخضوع ومقاومة الشد إذا لم تحدده المواصفة بالفعل؛
- معيار الاختبار والاتجاه وأخذ العينات ومعايير القبول؛
- متطلبات الشهادة وتتبع الدفعة؛
- شروط اللحام والمعالجة الحرارية وتشطيب السطح ودرجة حرارة الخدمة.
اسأل عما إذا كانت الخصائص المذكورة في عرض السعر قيمًا نموذجية أم حدودًا دنيا مضمونة. وتأكد أيضًا مما إذا كانت الشهادة تعرض نتائج الدفعة الفعلية أم حدود المواصفة فقط.
الخلاصة: استخدم مقاومة شد مرتبطة بمواصفة
استخدم قيمة مرتبطة بمواصفة منتج معترف بها، لا أعلى رقم في جدول عام. حدد السبيكة والحالة كاملتين وشكل المنتج ونطاق السُمك واتجاه الاختبار والأدلة المطلوبة. وبالنسبة إلى الأجزاء الملحومة أو المستخدمة ساخنة، أضف القواعد المطبقة على الحالة المتأثرة.
يمنح هذا التعريف المصمم والمصنع ومختبر الاختبار هدف قبول واحدًا. وهو أكثر فائدة بكثير من طلب «ألومنيوم قوي».
الأسئلة الشائعة
ما مقاومة شد الألومنيوم النقي؟
لا توجد قيمة واحدة لـ«الألومنيوم النقي». في بيانات Hydro، تتراوح المقاطع المبثوقة الملدنة من 1060 و1100 ذوي النقاء التجاري بين نحو 60 و105 MPa. وقد تكون منتجات 1xxx المتصلدة بالتشوه أقوى، لذلك يجب تحديد النقاء والحالة وشكل المنتج.
ما مقاومة شد الألومنيوم 6061-T6؟
الحد الأدنى الشائع لمقطع مبثوق 6061-T6/T6511 هو 260 MPa، أو 38 ksi. وقد تكون للصفائح والألواح والقضبان والأنابيب وفئات البثق الخاصة متطلبات مختلفة. تحقق من مواصفة المنتج ونطاق السُمك المطبقين.
هل 7075 أقوى سبيكة ألومنيوم؟
يُعد 7075-T651 مرجعًا شائعًا عالي المقاومة بقيمة UTS نموذجية تبلغ نحو 572 MPa للقضبان والعارضات. لكنه لا يمثل الحد المطلق لقوة الألومنيوم. فقد تتجاوز بعض السبائك ومواصفات المنتجات المتخصصة 600 MPa، مع احتمال أن تكون الإتاحة والمتانة وسلوك التآكل وقابلية التشكيل والتكلفة أقل ملاءمة.
هل الألومنيوم أضعف من الفولاذ؟
معظم سبائك الألومنيوم أقل صلابة ومقاومة مطلقة من أنواع الفولاذ الإنشائي الشائعة. لكن كثافة الألومنيوم تبلغ نحو ثلث كثافتها، لذلك قد تؤدي مقارنة المقاومة النوعية إلى نتيجة مختلفة. ويعتمد الاختيار النهائي أيضًا على هندسة المقطع والتآكل والوصل وحجم الإنتاج والتكلفة.
