1. Ներածություն
Պողպատը աշխարհում ամենաշատ օգտագործվող ինժեներական նյութերից մեկն է, և դրա խտությունը ամենակարևոր ֆիզիկական հատկություններից մեկն է, որը կարգավորում է այն, թե ինչպես է այն ընտրվում, նախագծված, վերամշակված, և կիրառել.
Խտությունը ազդում է զանգվածի վրա, իներցիա, տրանսպորտի արժեքը, կառուցվածքային ծանրաբեռնվածություն, բեռնաթափման վարքագիծը, և նույնիսկ էներգիայի սպառումը արտադրանքի կյանքի ցիկլի ընթացքում.
Այս պատճառով, պողպատի խտությունը աննշան կատալոգային արժեք չէ. Դա հիմնարար դիզայնի պարամետր է.
2. Ինչ է նշանակում խտությունը նյութերի ճարտարագիտության մեջ
Նյութերի ճարտարագիտության մեջ, խտությունը նկարագրում է, թե որքան զանգված է պարունակվում նյութի տվյալ ծավալում.
Սա ամենահիմնարար ֆիզիկական հատկություններից մեկն է, քանի որ այն ինժեներներին ասում է, թե որքան «կոմպակտ» է նյութը ատոմային և մակրոսկոպիկ մակարդակում:.
Պողպատի նման նյութը ծանր և ամուր է զգում, քանի որ համեմատաբար մեծ քանակությամբ նյութ լցվում է համեմատաբար փոքր տարածության մեջ:, դրա համար էլ այն ունի համեմատաբար բարձր խտություն.
Հարաբերությունն արտահայտվում է հիմնական հավասարմամբ:
Խտություն = զանգված / Ծավալը
կամ, խորհրդանշական ձևով:
ρ = մ / Վիճակ
որտեղ:
- r = խտություն
- մ = զանգված
- Վիճակ = ծավալ
Խտությունը սովորաբար չափվում է այնպիսի միավորներով, ինչպիսիք են գ / սմ կամ կգ/մ³ մետրային համակարգում, մի քանազոր լբ/ին³ կամ լբ/ֆտ³ կայսերական ստորաբաժանումներում.
Ինժեներական տեսանկյունից, խտությունը ան ինտենսիվ սեփականություն. Սա նշանակում է, որ դրա արժեքը չի փոխվում պարզապես նյութի քանակի փոփոխության պատճառով.
Պողպատի փոքր կտորը և մեծ պողպատե թիթեղն ունեն նույն խտությունը, չնայած նրանց զանգվածը շատ տարբեր է. Այն, ինչ փոխվում է, նյութի ընդհանուր քանակն է, ոչ թե ինքնին խտությունը.
Ահա թե ինչու խտությունը այդքան կարևոր է դիզայնի և նյութի ընտրության մեջ.
Այն ազդում է քաշի վրա, իներցիա, տրանսպորտի արժեքը, կառուցվածքային բեռնում, և ընդհանուր արդյունավետությունը, բայց այն մնում է նյութի կայուն հատկանիշ՝ անկախ մասի չափից.
3. Պողպատի տիպիկ խտության միջակայք
Պարզ ածխածնային և ցածր լեգիրված պողպատների մեծ մասը խտություն ունի միջակայքում 7.75 դեպի 8.05 գ / սմ, հետ 7.85 գ / սմ հաճախ օգտագործվում է որպես պայմանական հղման արժեք. SI առումով, սա մոտավորապես 7,850 կգ/մ³.
Այդ արժեքը համընդհանուր չէ. Պողպատի տարբեր դասարանները մի փոքր տարբերվում են, քանի որ համաձուլվածքային տարրերը, փուլային կազմը, և մշակման պատմությունը բոլորը ազդում են խտության վրա.
Չժանգոտվող պողպատներ, Օրինակ, կարող է ընկնել որոշակիորեն վեր կամ ցածր ընդհանուր ածխածնային պողպատի հղումից՝ կախված կազմից.
4. Ինչու է տարբերվում պողպատի խտությունը
Պողպատը մեկ նյութ չէ. Երկաթի հիմքով համաձուլվածքների ընտանիք է, իսկ խտությունը փոխվում է՝ կախված կազմից և կառուցվածքից.
Ածխածնի պարունակությունը
Ածխածնի պարունակությունը փոքր-ինչ ազդում է խտության վրա, քանի որ ածխածինը առկա է փոքր քանակությամբ. Սակայն, դա դեռևս նպաստում է գնահատականների միջև տարբերություններին.
Շատ գործնական դեպքերում, ածխածնի պարունակությունը խտության փոփոխության հիմնական շարժիչ ուժը չէ, բայց դա ընդհանուր կազմի հավասարակշռության մի մասն է.
Լեգիրման տարրեր
Լեգիրման տարրերը կարող են բարձրացնել կամ նվազեցնել խտությունը՝ կախված դրանց ատոմային զանգվածից և կոնցենտրացիայից.
Տարրեր, ինչպիսիք են քրոմը, նիկել, մանգան, մոլիբդեն, վանադիում, և վոլֆրամը փոխում են վերջնական համաձուլվածքի խտությունը.
Չժանգոտվող պողպատներում, Օրինակ, Նիկելը և քրոմը կարող են մի փոքր փոխել խտությունը դեպի վեր կամ վար՝ համեմատած սովորական ածխածնային պողպատի հետ.
Միկրոկառուցվածք
Պողպատի խտությունը կարող է նաև նրբորեն տարբերվել՝ կախված փուլային կառուցվածքից. Ֆերիտ, austenites, մարտենսիտ, և բեյնիտը ոչ բոլորն են ատոմները փաթեթավորում ճիշտ նույն ձևով.
Տարբերությունները սովորաբար փոքր են, բայց ճշգրիտ ճարտարագիտության մեջ դրանք կարող են նշանակություն ունենալ.
Ջերմաստիճանը և փուլային վիճակը
Խտությունը փոխվում է ջերմաստիճանի հետ. Քանի որ պողպատը տաքանում է, այն ընդլայնվում է, և դրա խտությունը նվազում է.
Սա ակտուալ է քասթինգում, դավաճանություն, He երմամշակում, և բարձր ջերմաստիճանի սպասարկում. Բարձր ջերմաստիճանում, պողպատը մի փոքր ավելի մեծ ծավալ է զբաղեցնում նույն զանգվածի համար.
5. Ընդհանուր պողպատե ընտանիքների խտությունը
Հետևողականության համար, է բնորոշ գնահատականներ արտահայտվում են ԱՄՆ. ոճային նշանակումներ ինչպիսիք են AISI/SAE, ASTM, և սովորաբար օգտագործվող առևտրային համարժեքները.
Ստորև բերված արժեքները սենյակային ջերմաստիճանի անվանական խտություններ են, որոնք օգտագործվում են ինժեներական համեմատության և նյութերի ընտրության համար.
Ածխածնային պողպատի խտություն
Ածխածնի պողպատ երկաթ-ածխածնային համաձուլվածքների ընտանիք է՝ համաձուլվածքների ընդհանուր պարունակությամբ համեմատաբար ցածր.
Նրա խտությունը փոքր-ինչ տատանվում է ցածր, միջին-, և բարձր ածխածնային դասարաններ, բայց միտումը դեռևս օգտակար է դիզայներական աշխատանքում: ածխածնի պարունակության բարձրացման հետ, խտությունը շատ փոքր է նվազում.
| Պողպատի կատեգորիա | Տիպիկ գնահատականներ | Խտություն (գ / սմ) | Խտություն (կգ/մ³) | Խտություն (լբ/ին³) |
| Ցածր ածխածնային պողպատ | AISI 1010, AISI 1018, AISI 1020 | 7.85 | 7850 | 0.2836 |
| Միջին ածխածնային պողպատ | AISI 1045, AISI 1050, AISI 1055 | 7.84 | 7840 | 0.2832 |
| Բարձր ածխածնային պողպատ | AISI 1080, AISI 1090, AISI 1095 | 7.83 | 7830 | 0.2828 |
Բարձր ամրության ցածր լեգիրված կառուցվածքային պողպատ (HSLA) Խտություն
HSLA պողպատներն ամրացվում են մանգանի փոքր հավելումներով, քրոմ, մոլիբդեն, նիբիում, վանադիում, կամ հարակից տարրեր.
Նրանց խտությունը մնում է շատ մոտ սովորական ածխածնային պողպատին, Այսպիսով, դիզայնի տարբերությունը գալիս է ուժից և ամրությունից, այլ ոչ թե քաշից.
| Պողպատի կատեգորիա | Տիպիկ գնահատականներ | Խտություն (գ / սմ) | Խտություն (կգ/մ³) | Խտություն (լբ/ին³) |
| General HSLA Steel | ASTM A572 Գր 50, ASTM A992, ASTM A588 | 7.85 | 7850 | 0.2836 |
| Մաշվածության դիմացկուն HSLA պողպատ | AR400, AR450, AR500 | 7.82 | 7820 | 0.2825 |
| Cr-Mo ճնշում / կառուցվածքային պողպատ | AISI 4130, AISI 4140, AISI 8640 | 7.86 | 7860 | 0.2839 |
| Եղանակային կառուցվածքային պողպատ | ASTM A588, ASTM A242 | 7.84 | 7840 | 0.2832 |
Չժանգոտվող պողպատից խտություն
Չժանգոտվող պողպատներ դասակարգվում են ըստ մետաղագրական կառուցվածքի. Նրանց խտության վրա ազդում է քրոմը, նիկել, մոլիբդեն, և այլ համաձուլվածքների տարրեր.
Չժանգոտվող ընտանիքների շարքում, austenitic չժանգոտվող պողպատ ընդհանուր առմամբ ունի ամենաբարձր խտությունը.
| Պողպատի կատեգորիա | Տիպիկ գնահատականներ | Խտություն (գ / սմ) | Խտություն (կգ/մ³) | Խտություն (լբ/ին³) |
| Austenitic չժանգոտվող պողպատ | AISI 304, AISI 304L | 7.93 | 7930 | 0.2865 |
| Austenitic չժանգոտվող պողպատ | AISI 316, AISI 316L | 7.98 | 7980 | 0.2883 |
| Բարձր ջերմաստիճանի Austenitic SS | AISI 310S | 7.98 | 7980 | 0.2883 |
| Ֆերիտիկ չժանգոտվող պողպատ | AISI 430, AISI 409 | 7.75 | 7750 | 0.2799 |
| Martensitic չժանգոտվող պողպատ | AISI 410, AISI 420, AISI 431 | 7.80 | 7800 | 0.2817 |
| Դուպլեքս չժանգոտվող պողպատ | ԱՄՆ S32205 (2205), ԱՄՆ S32750 (2507) | 7.81 | 7810 | 0.2820 |
Գործիքների պողպատ և գերարագ պողպատի խտություն
Գործիքների պողպատները և արագընթաց պողպատները հաճախ պարունակում են մեծ քանակությամբ վոլֆրամ, քրոմ, վանադիում, և կոբալտ.
Այս համաձուլվածքային տարրերը մեծացնում են խտությունը սովորական պողպատների համեմատ, հատկապես արագընթաց և կոբալտ կրող դասարաններում.
| Պողպատի կատեգորիա | Տիպիկ գնահատականներ | Խտություն (գ / սմ) | Խտություն (կգ/մ³) | Խտություն (լբ/ին³) |
| Ածխածնային գործիքների պողպատ | AISI T7, AISI T8, AISI T12 | 7.83 | 7830 | 0.2828 |
| Ցածր լեգիրված Die Steel | AISI P20, AISI H13, AISI D2 | 7.85 | 7850 | 0.2836 |
| Բարձր արագությամբ պողպատ | AISI M2, AISI M35, AISI M42 | 8.15 | 8150 | 0.2942 |
| Կոբալտ կրող HSS | AISI T15, HS18-1-2-10 | 8.20 | 8200 | 0.2960 |
Հատուկ ֆունկցիոնալ պողպատի խտություն
Հատուկ ֆունկցիոնալ պողպատները նախագծված են հատուկ սպասարկման պայմանների համար, ինչպիսիք են անվճար հաստոցները, He երմային դիմադրություն, բարձր խտություն, կամ ցածր խտությամբ.
Նրանց խտությունը կարող է ավելի նկատելի տարբերվել ստանդարտ պողպատներից, քանի որ համաձուլվածքի դիզայնը օպտիմիզացված է ֆունկցիայի համար, այլ ոչ թե ընդհանուր նշանակության կառուցվածքային օգտագործման համար:.
| Պողպատի կատեգորիա | Տիպիկ գնահատականներ | Խտություն (գ / սմ) | Խտություն (կգ/մ³) | Խտություն (լբ/ին³) |
| Կապարով ազատ կտրող պողպատ | AISI 12L14, AISI 1215 | 7.97 | 7970 | 0.2879 |
| Բարձր քրոմ ջերմակայուն պողպատ | AISI 309, AISI 310S, AISI 446 | 7.90 | 7900 | 0.2854 |
| Նիկել-բազային ջերմակայուն խառնուրդ պողպատ | Ինքոլոյ 800, Incoloy 800H | 8.06 | 8060 | 0.2910 |
| Ցածր խտության թեթև կառուցվածքային պողպատ | Հատուկ ցածր խտության լեգիրված պողպատի դասարաններ | 7.70 | 7700 | 0.2781 |
| Բարձր խտության հակաքաշ պողպատ | Վոլֆրամի համաձուլվածքի հակակշիռ պողպատի դասարաններ | 8.30 | 8300 | 0.2996 |
6. Ինչպես է խտությունն ազդում դիզայնի և արտադրության վրա
Խտությունը միայն լաբորատոր չափում չէ. Այն ուղղակիորեն ձևավորում է ինժեներական որոշումները.
Քաշը և կառուցվածքային ծանրաբեռնվածությունը
Խտության առավել ակնհայտ ազդեցությունը քաշն է. Պողպատե ճառագայթ, շրջանակ, կամ պարիսպը սովորաբար կշռում է շատ ավելին, քան համարժեք ալյումինե դիզայնը.
Դա կարող է լինել թերություն տրանսպորտում, օդատիենտ, ռոբոտաշինություն, կամ շարժական համակարգեր. Սակայն, ավելի բարձր զանգվածը կարող է նաև առավելություն լինել կայունության դեպքում, խոնավացում, կամ իներցիա է ցանկալի.
Կոշտություն քաշի հավասարակշռություն
Պողպատը խիտ է, բայց դա նաև թունդ է. Շատ հավելվածներում, Ինժեներները ընդունում են ավելի մեծ քաշ, քանի որ պողպատը թույլ է տալիս ավելի փոքր խաչմերուկներ նույն կառուցվածքային աշխատանքի համար.
Այլ կերպ ասած, Միայն խտությունը չի որոշում պողպատի արդյունավետությունը. Պողպատը կարող է ավելի ծանր լինել իր ծավալով, բայց այն դեռ կարող է արդյունավետ լինել մեկ միավորի արժեքով կատարողականով.
Տրանսպորտ և էներգաարդյունավետություն
Տրանսպորտային միջոցներում, մեքենաներ, և շարժական սարքավորումներ, խտությունը ազդում է վառելիքի տնտեսության վրա, արագացում, արգելակում, և ծանրաբեռնվածության հզորությունը.
Ավելի ցածր խտության նյութերը հաճախ նախընտրելի են, երբ զանգվածի կրճատումը բերում է ուղղակի գործառնական օգուտներ. Դեռևս, պողպատը մնում է սովորական, քանի որ այն տնտեսական է և կառուցվածքային առումով հուսալի.
Մեքենաների մշակման և արտադրության նկատառումներ
Պողպատի խտությունը նույնպես ազդում է արտադրության բեռնաթափման վրա, հարմարանքների դիզայն, գործիքի ծանրաբեռնվածություն, և մասի մանիպուլյացիա.
Ավելի ծանր մասերն ավելի դժվար են տեղափոխվում և տեղադրվում, բայց դրանց կոշտությունը հաճախ օգնում է հաստոցների կամ եռակցման ժամանակ. Զանգվածը կարող է նաև բարելավել թրթռումների մեղմացումը որոշ մեքենաների կառույցներում.
Իներցիա և դինամիկ վարքագիծ
Պտտվող համակարգերում, խտությունը ազդում է իներցիայի պահի վրա. Ավելի խիտ պողպատե ռոտոր, հանդերձում, կամ սկավառակը ավելի շատ կինետիկ էներգիա է պահում և ավելի ուժեղ է դիմադրում արագության փոփոխություններին, քան թեթև նյութը.
Դա կարող է օգտակար կամ խնդրահարույց լինել՝ կախված հավելվածից.
7. Համընդհանուր թյուրիմացություններ
Առաջին, բուժում 7.85 գ/սմ³ որպես ֆիքսված խտություն պողպատի բոլոր դասերի համար հանգեցնում է բարձր ածխածնային պողպատի քաշի գերագնահատմանը, միաժամանակ թերագնահատելով չժանգոտվող պողպատի քաշը.
երկրորդ, շփոթել տեսական խտությունը զանգվածային խտության հետ, անտեսելով ձուլածո պողպատի ծակոտկենության թերությունը և հանգեցնել բեռի ոչ ճշգրիտ ձևավորման;
երրորդ, անտեսելով բարձր ջերմաստիճանի կաթսայի պողպատե մասերի ջերմաստիճանի պատճառով առաջացած խտության փոփոխությունները.
8. Խտության բնորոշ սահմանափակումները որպես դատողությունների ցուցիչ
Չնայած խտությունը կարևոր հղում է պողպատի կատարողականի գնահատման համար, այն չի կարող օգտագործվել որպես մեկ զննման ստանդարտ: Բարձր խտությունը հավասար չէ բարձրորակ պողպատին.
Չափազանց բարձր խտությունը, որը առաջանում է չափազանց ծանր համաձուլվածքի տարրերից, կարող է նվազեցնել պողպատի ամրությունը և սառը դիմադրությունը; ցածր խտության թեթև լեգիրված պողպատը կարող է զոհաբերել մասնակի կոշտությունը՝ թեթև նպատակներն իրականացնելու համար.
Ինժեներական պրակտիկայում, խտությունը պետք է համապատասխանի կարծրությանը, կոշտություն, կոռոզիոն դիմադրություն և ջերմաստիճանի դիմադրություն նյութի ամբողջական ընտրության համար.
9. Խտության համեմատություն այլ ինժեներական նյութերի հետ
Պողպատը դառնում է ավելի հեշտ հասկանալի, երբ այն համեմատվում է այլ սովորական ինժեներական նյութերի հետ.
| Նյութական | Բնորոշ խտություն (գ / սմ) | Բնորոշ խտություն (կգ/մ³) | Բնորոշ խտություն (լբ/ին³) | Ինժեներական մեկնաբանություն |
| Մագնեզիումի համաձուլվածք | 1.70– 1,85 | 1700– 1850 թ | 0.061– 0,067 | Չափազանց թեթև, բայց ավելի ցածր ուժ և կոշտություն |
| Ալյումինե խառնուրդ | 2.65– 2,80 | 2650-2800 | 0.096– 0,101 | Շատ թեթև, լայնորեն օգտագործվում է քաշի նկատմամբ զգայուն դիզայնի համար |
| Տիտանի համաձուլվածք | 4.40– 4,60 | 4400– 4600 | 0.159– 0,166 | Պողպատից թեթև, բայց շատ ավելի ուժեղ մեկ միավորի քաշի համար |
| Չուգուն | 6.90– 7.30 | 6900– 7300 | 0.249– 0,264 | Մի փոքր ավելի քիչ խիտ, քան պողպատը, բայց ավելի փխրուն |
| Ածխածնի պողպատ | 7.75– 7,85 | 7750– 7850 | 0.280– 0,284 | Ստանդարտ խիտ կառուցվածքային նյութ |
Չժանգոտվող պողպատ |
7.70– 8.00 | 7700-8000 | 0.278– 0,289 | Նման կամ մի փոքր ավելի խիտ, քան ածխածնային պողպատը |
| Պղնձ | 8.85– 8,95 | 8850– 8950 | 0.320– 0,323 | Ավելի ծանր, քան պողպատը, գերազանց հաղորդունակություն |
| Փող | 8.40– 8,75 | 8400– 8750 | 0.304– 0,316 | Ծանր, բայց բազմակողմանի, լավ տեսք և մշակելիություն |
| Նիկելի համաձուլվածքներ | 8.20– 8,90 | 8200– 8900 | 0.296– 0,321 | Խիտ, օգտագործվում է, երբ բարձր ջերմաստիճանը կամ կոռոզիոն կատարողականը կարևոր է |
| Վոլֆրամ | 19.0– 19.3 | 19000– 19300 թ | 0.686– 0,697 | Չափազանց խիտ, օգտագործվում է հակակշիռներում, պաշտպանություն, և բարձր խտության հավելվածներ |
10. Եզրափակում
Պողպատի խտությունը սովորաբար մոտ է 7.85 գ / սմ, բայց ճշգրիտ արժեքը տատանվում է խառնուրդի ընտանիքից, Միկրոկառուցվածք, և ջերմաստիճանը.
Ավելի կարևոր է, խտությունը մեկուսացված հատկություն չէ. Այն փոխազդում է ուժի հետ, կոշտություն, ծախս, Կոռոզիոն դիմադրություն, ԱՐՏԱԴՐՈՒՄ, և սպասարկման կատարումը.
Պողպատը մնում է ամենակարևոր ինժեներական նյութերից մեկը հենց այն պատճառով, որ դրա խտությունը գտնվում է արդյունավետ միջին մակարդակում: բավականաչափ ծանր՝ կոշտություն ապահովելու համար, կայունություն, և զանգվածային ուժ, սակայն բավականաչափ տնտեսական և բազմակողմանի՝ շինարարության և արդյունաբերության վրա գերիշխելու համար.
Դիզայներների համար, հասկանալ պողպատի խտությունը նշանակում է հասկանալ, թե զանգվածն ինչպես է ազդում ամբողջ համակարգի վրա, արտադրությունից և տեղափոխումից մինչև շահագործման և կյանքի ցիկլի արժեքը.
ՀՏՀ
Ինչու է պողպատն այդքան խիտ?
Քանի որ այն երկաթի վրա հիմնված համաձուլվածք է՝ սերտորեն փաթեթավորված ատոմային կառուցվածքով և համեմատաբար ծանր համաձուլվածքային տարրերով՝ համեմատած թեթև մետաղների հետ։.
Արդյո՞ք խտությունը ազդում է պողպատի ամրության վրա?
Ոչ ուղղակիորեն. Խտությունը և ուժը տարբեր հատկություններ են, չնայած նրանք երկուսն էլ ազդում են դիզայնի որոշումների վրա.
Ավելի ցածր խտության պողպատը միշտ ավելի լավն է?
Ոչ. Ավելի ցածր խտությունը կարող է օգնել նվազեցնել քաշը, բայց լավագույն նյութը կախված է ուժից, կոշտություն, ծախս, Կոռոզիոն դիմադրություն, և կիրառման կարիքները.
Ինչպե՞ս է պողպատը համեմատվում ալյումինի հետ?
Պողպատը շատ ավելի խիտ է և սովորաբար ավելի ամուր զանգվածային օգտագործման դեպքում, մինչդեռ ալյումինը շատ ավելի թեթև է և ավելի լավ է քաշի նկատմամբ զգայուն դիզայնի համար.
Արդյո՞ք ջերմաստիճանը փոխում է պողպատի խտությունը?
Այո. Քանի որ ջերմաստիճանը բարձրանում է, պողպատը ընդլայնվում է, և խտությունը փոքր-ինչ նվազում է.
