متطلبات قوة إجهاد بثق الألومنيوم؟
غالبًا ما يظهر فشل الإعياء دون سابق إنذار. يركّز العديد من المشترين على قوة الخضوع ويغفلون عن التعب. وتؤدي هذه الفجوة إلى حدوث تشققات ووقت تعطل وتكلفة استبدال عالية.
تعتمد قوة إجهاد بثق الألومنيوم على السبيكة والمزاج وجودة السطح ونمط التحميل. في معظم الاستخدامات الصناعية، تكون قوة الإجهاد أقل بكثير من القوة الساكنة ويجب فحصها في وقت مبكر من التصميم.
لا تفشل العديد من المشاريع ليس بسبب ضعف الألومنيوم، ولكن بسبب تجاهل سلوك الإعياء. يساعد الفهم المبكر للإجهاد على تجنب إعادة التصميم والتأخير ومخاطر السلامة.
ما هي قوة الإجهاد النموذجية للبثق؟
قوة التعب ليست رقمًا واحدًا ثابتًا. فهي تتغير بتغير السبيكة، والمزاج، والتشطيب السطحي، ودورات الإجهاد. غالبًا ما يتوقع المصممون قيمة واضحة، لكن الألومنيوم لا يتصرف مثل الفولاذ في حالة التعب.
تتراوح قوة إجهاد البثق النموذجية للألومنيوم من 30 ميجا باسكال إلى 100 ميجا باسكال عند 10 ملايين دورة، اعتمادًا على السبيكة والمزاج. لا يوجد حد تحمّل حقيقي للألومنيوم.
وهذا يعني أن التلف الناتج عن الإجهاد يستمر في التزايد مع زيادة الدورات، حتى عند انخفاض الإجهاد.
لماذا لا يوجد للألومنيوم حد التحمل
غالباً ما يُظهر الفولاذ منحنى إجهاد مسطح. وتحت حد الإجهاد، يمكن أن يتحمل دورات لا نهائية. لا يتصرف الألومنيوم بهذه الطريقة.
لبثق الألومنيوم:
- تتسبب كل دورة إجهاد في حدوث ضرر صغير
- تنمو الشقوق الدقيقة ببطء مع مرور الوقت
- يمكن أن يحدث الفشل حتى تحت ضغط منخفض
وهذا يجعل عدد الدورات أمرًا بالغ الأهمية.
نطاقات التعب النموذجية حسب عائلة السبيكة
فيما يلي مقارنة عامة مستخدمة في التصميم المبكر. هذه ليست قيم مضمونة. فهي تساعد في الفحص فقط.
| سبيكة | المزاج | قوة إجهاد تقريبية عند 10^7 دورات (ميجا باسكال) | الاستخدام الشائع |
|---|---|---|---|
| 6063 | T5 | 30 إلى 50 | إطارات معمارية وخفيفة |
| 6061 | T6 | 60 إلى 95 | الهيكلية والآلات |
| 6082 | T6 | 70 إلى 100 | إطارات شديدة التحمل |
| 7075 | T6 | 90 إلى 130 | الفضاء الجوي، حمولة عالية |
يمكن أن تقلل حالة السطح من هذه القيم بنسبة 20 بالمائة أو أكثر.
دور جودة البثق
يبدأ التعب في نقاط الضعف. وغالباً ما تشمل هذه النقاط في البثق ما يلي:
- خطوط القوالب
- خدوش السطح
- زوايا حادة
- لحام اللحامات في المقاطع الجانبية المجوفة
يقلل التصميم الجيد للقالب والتحكم في العملية من هذه المخاطر. تعمل الأسطح الملساء على تحسين عمر التعب أكثر من زيادة سُمك الجدار في كثير من الحالات.
نسبة الإجهاد مهمة
تعتمد قوة التعب على نسبة الإجهاد. التحميل المعكوس بالكامل أشد من التحميل في اتجاه واحد.
يجب أن يحدد المصممون:
- الحد الأقصى للإجهاد
- الحد الأدنى من الإجهاد
- متوسط الإجهاد
يؤدي تجاهل ذلك إلى افتراضات غير آمنة.
خطأ في التصميم المبكر يجب تجنبه
يطلب العديد من المشترين تقارير قوة الشد فقط. وهذا لا يتنبأ بعمر التعب. عادةً ما تكون قوة التعب أقل بكثير من قوة الخضوع.
تتسم قواطع الألومنيوم بحد تحمّل واضح مماثل للصلب.خطأ
ليس للألومنيوم حد تحمّل حقيقي. يستمر تلف التعب في التراكم مع زيادة الدورات.
يلعب تشطيب السطح دورًا رئيسيًا في قوة إجهاد بثق الألومنيوم.صحيح
تعمل العيوب السطحية كنقاط لبدء التشقق وتقلل بشدة من عمر التعب.
كيف يؤثر تدوير الحمل على عمر البثق؟
ينتج فشل التعب عن الحمل المتكرر، وليس الحمل الزائد لمرة واحدة. تفشل العديد من البثق تحت أحمال أقل بكثير من قوتها المقدرة بسبب التدوير.
يقلل تدوير الأحمال من عمر البثق عن طريق إحداث شقوق دقيقة تنمو مع كل دورة حتى يحدث الكسر المفاجئ. تقلل الدورات ونطاقات الضغط الأعلى من العمر الافتراضي بشكل حاد.
فهم أنماط التحميل أكثر أهمية من ذروة التحميل.
ما الذي يعتبر دورة
الدورة هي تغيير حمولة كاملة واحدة. ويشمل ذلك:
- بدء تشغيل الماكينات وإيقافها
- اهتزاز الرياح
- التمدد والانكماش الحراري
- الرفع أو الحركة المتكررة
حتى التقلبات الصغيرة في الضغط العصبي تُحتسب.
أساسيات منحنى S-N
يظهر سلوك التعب بمنحنى S-N:
- S = سعة الإجهاد
- N = عدد الدورات حتى الفشل
بالنسبة للألمنيوم:
- يؤدي الضغط العالي إلى فشل سريع
- الضغط المنخفض يؤدي إلى عمر طويل ولكن ليس بلا حدود
غالباً ما يستهدف المصممون دورة حياة محددة مثل 2 مليون أو 10 مليون دورة.
إجهاد الدورة العالية مقابل إجهاد الدورة المنخفضة
هناك منطقتان شائعتان للإجهاد.
إجهاد الدورة المنخفضة
- الضغط العالي
- التشوه البلاستيكي
- الدورات عادة أقل من 100,000
- شائع في الأحمال الزلزالية أو الصدمات
إجهاد الدورة العالية
- انخفاض الإجهاد
- التشوه المرن
- ملايين الدورات
- شائعة في إطارات الماكينات والدعامات
تعمل معظم عمليات البثق المصنوعة من الألومنيوم في حالة إجهاد عالي الدورة.
اتجاه التحميل والشكل الجانبي
تتعامل البثق مع التعب بشكل أفضل عندما:
- مسارات التحميل سلسة
- يتم توزيع الإجهاد بالتساوي
- لا يوجد تغيير مفاجئ في القسم
تتضمن التصميمات الرديئة ما يلي:
- الشقوق الحادة
- شبكات رقيقة بالقرب من الثقوب
- تغير مفاجئ في السُمك
تعديلات التصميم العملية
لإطالة عمر التعب:
- زيادة نصف قطر الشريحة
- تجنب الزوايا الحادة
- استخدام سمك جدار موحد
- تقليل تركيز الإجهاد
غالباً ما تؤدي التغييرات الهندسية الصغيرة إلى مضاعفة عمر التعب.
مصادر ركوب الدراجات المخفية
يضع بعض المشترين في اعتبارهم الحمل الميكانيكي فقط. ينسون:
- دورات درجة الحرارة
- إجهاد التجميع
- الإجهاد المتبقي من الاستقامة
تتحد هذه مع أحمال الخدمة.
نمط الفشل الحقيقي
غالباً ما تبدأ التشققات الناتجة عن التعب بصمت. فهي تنمو ببطء. ثم يحدث الفشل فجأة. وغالباً ما لا يكون هناك تحذير مرئي حتى حدوث الكسر النهائي.
عادةً ما يحدث فشل الإرهاق في سحب الألومنيوم بشكل تدريجي مع تشوه واضح.خطأ
تنمو التشققات الناتجة عن الإجهاد بصمت، وغالباً ما يكون الفشل النهائي مفاجئاً مع القليل من التحذيرات المرئية.
يمكن أن يؤدي تقليل تركيز الإجهاد إلى إطالة عمر إجهاد البثق بشكل كبير.صحيح
يقلل تركيز الضغط المنخفض من بدء التشقق ويبطئ نمو الشقوق.
ما هي السبائك التي توفر مقاومة فائقة للإجهاد؟
لا تتصرف جميع سبائك الألومنيوم بنفس الطريقة تحت تأثير الإجهاد. اختيار السبيكة له تأثير قوي على عمر الخدمة.
توفر سبائك السلسلتين 6000 و7000 مقاومة إجهاد أفضل من السلسلة 3000، حيث تعتبر 6061-T6 و6082-T6 من الخيارات المتوازنة الشائعة للبثق.
ومع ذلك، فإن القوة وحدها لا تضمن أداء الإرهاق.
أهمية كيمياء السبيكة
تعتمد مقاومة الإرهاق على:
- بنية الحبوب
- تصلب الترسيب
- التحكم في الشوائب
عادةً ما يكون أداء السبائك القابلة للمعالجة بالحرارة أفضل.
مقارنة سبائك البثق الشائعة
| سبيكة | سلوك التعب والإرهاق | المزايا | الحدود |
|---|---|---|---|
| 6063-T5 | منخفضة إلى متوسطة | سطح جيد وسهل البثق | قوة إجهاد أقل |
| 6061-T6 | متوسط إلى مرتفع | توازن جيد بين القوة والتكلفة | أصعب قليلاً في البثق |
| 6082-T6 | عالية | أقوى من 6061 | جودة سطح أقل |
| 7075-T6 | عالية جداً | إجهاد ممتاز | التكلفة ومخاطر التآكل |
سبب استخدام 6061-T6 على نطاق واسع
غالباً ما يتم اختيار 6061-T6 للأسباب التالية:
- بيانات الإرهاق المستقر
- قابلية جيدة للتشغيل الآلي
- مقاومة مقبولة للتآكل
- توافر الموردين على نطاق واسع
إنها ليست الأقوى، ولكن يمكن التنبؤ بها.
دور المزاج
المزاج يغير سلوك التعب والإرهاق.
- T5: التبريد من البثق والإجهاد المنخفض
- T6: معالج بالمحلول ومعتّق، وإجهاد أعلى
يمكن أن ترفع ترقية المزاج من قوة التعب دون تغيير المظهر الجانبي.
تأثير اللحام
يقلل اللحام من قوة الإجهاد بشكل حاد.
- تليين المناطق المتأثرة بالحرارة
- تغيرات البنية المجهرية
- غالبًا ما تبدأ التشققات بالقرب من اللحامات
يجب أن يتجنب المصممون اللحام في مناطق الإجهاد العالية أو زيادة حجم المقطع محليًا.
تأثيرات المعالجة السطحية
بعض العلاجات تساعد، والبعض الآخر يضر.
- الأكسدة: قد يقلل من التعب قليلاً إذا كان سميكًا
- الصقل بالخردق: يمكن أن يحسن من التعب
- التلميع: يحسن من التعب
التحكم في السطح أمر بالغ الأهمية.
مفاضلة التكلفة مقابل التعب
السبائك الأعلى إجهادًا تكلف أكثر. ولكن تكلفة الاستبدال ووقت التوقف عن العمل غالباً ما تكلف أكثر من ترقية المواد.
يوفر 7075-T6 دائمًا أفضل حل للإجهاد لأي تطبيق بثق.خطأ
على الرغم من قوة 7075-T6، إلا أن 7075-T6 يتميز بتكلفة أعلى وحساسية للتآكل وغير مناسب لجميع استخدامات البثق.
توفر سبائك السلسلة 6000 القابلة للمعالجة بالحرارة بشكل عام مقاومة إجهاد أفضل من السبائك غير القابلة للمعالجة بالحرارة.صحيح
يعمل التصلب بالترسيب على تحسين سلوك الكلال في معظم تطبيقات البثق.
هل توجد معايير لاختبار قوة الإجهاد؟
يجب أن يتبع اختبار التعب المعايير. فبدون الطرق القياسية، لا يمكن مقارنة البيانات أو الوثوق بها.
نعم، إن اختبار إجهاد بثق الألومنيوم مشمول بمعايير ASTM وISO وEN التي تحدد شكل العينة والتحكم في الحمل وعد الدورات.
توجه هذه المعايير كلاً من الاختبار والتحقق من صحة التصميم.
أهمية المعايير
تختلف بيانات الإرهاق بشكل كبير. تضمن المعايير:
- اختبار قابل للتكرار
- نتائج قابلة للمقارنة
- تعريف واضح للحمل
يجب على المشترين أن يسألوا دائماً عن المعيار الذي تم استخدامه.
معايير الإرهاق الشائعة
فيما يلي مراجع مستخدمة على نطاق واسع.
| قياسي | النطاق | الاستخدام النموذجي |
|---|---|---|
| ASTM E466 | الإجهاد المحوري | اختبار المواد الأساسية |
| ASTM E468 | عرض بيانات الإرهاق | تنسيق الإبلاغ |
| ISO 1099 | الإجهاد المحوري | المرجع الدولي |
| EN 1999 | تصميم الألومنيوم | التطبيقات الهيكلية |
العينة مقابل الملف الشخصي الحقيقي
تستخدم الاختبارات القياسية عينات ملساء. وتشمل البثق الحقيقي:
- الزوايا
- الثقوب
- لحام اللحامات
وهذا يعني أن قوة الإجهاد الحقيقية غالباً ما تكون أقل من قيم الاختبار.
اختبار المكونات
بالنسبة للمشاريع الحرجة، يوصى باختبار المكونات.
- يستخدم الملف الشخصي الحقيقي
- يشمل اللحامات والمفاصل
- يعكس حالة الإجهاد الحقيقي
وهذا أمر شائع في النقل والآلات الثقيلة.
عوامل السلامة
تطبق معايير التصميم عوامل السلامة من الإجهاد. وهي تأخذ في الحسبان ما يلي:
- تباين التصنيع
- تلف السطح
- عدم اليقين في الحمل
يؤدي تجاهل عوامل السلامة إلى الفشل المبكر.
قائمة التحقق من المشتري
عند مراجعة بيانات الإجهاد، تأكد دائماً من:
- نسبة الحمولة المستخدمة
- هدف عدد الدورات المستهدف
- تعريف الفشل
- هندسة العينة
تحذف العديد من أوراق البيانات هذه التفاصيل.
رموز التصميم مقابل بيانات المواد
تدعم بيانات إجهاد المواد رموز التصميم. تتحكم رموز التصميم في الإجهاد النهائي المسموح به.
يجب على المهندسين اتباع كود التصميم، وليس بيانات الموردين فقط.
تمثل نتائج اختبار التعب من العينات الملساء دائمًا أداء البثق الحقيقي.خطأ
تشتمل البثق الحقيقي على سمات هندسية تقلل من عمر التعب مقارنةً بالعينات الملساء.
تحدد معايير ASTM وISO طرقًا متسقة لاختبار إجهاد الألومنيوم.صحيح
تحدد هذه المعايير التحميل وشكل العينة وقواعد الإبلاغ.
الخاتمة
تتحكم قوة الإجهاد في السلامة على المدى الطويل في عمليات بثق الألومنيوم. اختيار السبيكة وجودة السطح ودورات التحميل والمعايير كلها أمور مهمة. يقلل التخطيط المبكر للإجهاد من مخاطر الفشل وتكلفة إعادة التصميم ووقت التوقف عن العمل.
