1. Кіріспе
Болат - әлемдегі ең көп қолданылатын инженерлік материалдардың бірі, және оның тығыздығы оның қалай таңдалатынын реттейтін ең маңызды физикалық қасиеттердің бірі болып табылады, жобаланған, өңделген, және қолданылды.
Тығыздық массаға әсер етеді, инерция, көлік құны, құрылымдық жүктеме, мінез-құлықты өңдеу, және тіпті өнімнің өмірлік циклі бойынша энергияны тұтыну.
Осы себеппен, болаттың тығыздығы тривиальды каталог мәні емес. Бұл дизайнның негізгі параметрі.
2. Материалдық инженериядағы тығыздық нені білдіреді
Материалдық инженерияда, тығыздық материалдың берілген көлемінде қанша масса бар екенін сипаттайды.
Бұл ең негізгі физикалық қасиеттердің бірі, өйткені ол инженерлерге материалдың атомдық және макроскопиялық деңгейде қаншалықты «ықшам» екенін айтады..
Болат сияқты материал ауыр және қатты сезінеді, өйткені салыстырмалы түрде үлкен материя салыстырмалы түрде шағын кеңістікке оралған., сондықтан оның салыстырмалы түрде жоғары тығыздығы бар.
Байланыс негізгі теңдеу арқылы өрнектеледі:
Тығыздық = Масса / Дыбыс
немесе, символдық түрде:
ρ = м / V
қайда:
- патрондылық = тығыздық
- м = массасы
- V = көлемі
Тығыздық әдетте сияқты бірліктермен өлшенеді g / cm³ немесе кг / м³ метрикалық жүйеде, жіне LB / on³ немесе фунт/фут³ империялық бірліктерде.
Инженерлік тұрғыдан, тығыздығы - а интенсивті меншік. Бұл материалдың мөлшері өзгергендіктен оның құны өзгермейді дегенді білдіреді.
Кішкентай болат пен үлкен болат пластинаның тығыздығы бірдей, олардың массасы өте әртүрлі болса да. Қандай өзгерістер материалдың жалпы көлемі болып табылады, тығыздықтың өзі емес.
Сондықтан дизайнда және материалды таңдауда тығыздық өте маңызды.
Бұл салмаққа әсер етеді, инерция, көлік құны, құрылымдық жүктеме, және жалпы тиімділік, бірақ ол бөлік өлшеміне қарамастан тұрақты материалдық сипаттама болып қалады.
3. Болаттың типтік тығыздық диапазоны
Қарапайым көміртекті және төмен легирленген болаттардың көпшілігінің тығыздығы диапазонында болады 7.75 қарай 8.05 g / cm³, бірге 7.85 g / cm³ әдеттегі анықтамалық мән ретінде жиі пайдаланылады. SI терминдерінде, бұл шамамен 7,850 кг / м³.
Бұл құндылық әмбебап емес. Легирленген элементтер болғандықтан болаттың әртүрлі сорттары аздап өзгереді, фазалық құрамы, және өңдеу тарихының барлығы тығыздыққа әсер етеді.
Тот баспайтын болаттар, мысалы, құрамына байланысты көміртекті болаттың жалпы анықтамасынан біршама жоғары немесе төмен түсуі мүмкін.
4. Неліктен болат тығыздығы өзгереді
Болат жалғыз материал емес. Бұл темір негізіндегі қорытпалар отбасы, және тығыздық құрамы мен құрылымына байланысты өзгереді.
Көміртекті
Көміртек мөлшері тығыздыққа аз ғана әсер етеді, өйткені көміртегі аз мөлшерде болады. Дегенмен, ол әлі де бағалар арасындағы айырмашылықтарға ықпал етеді.
Көптеген практикалық жағдайларда, көміртегі мазмұны тығыздықтың өзгеруінің негізгі драйвері емес, бірақ ол жалпы композиция балансының бөлігі болып табылады.
Легирлеу элементтері
Легірлеуші элементтер атомдық массасы мен концентрациясына байланысты тығыздықты жоғарылатуы немесе төмендетуі мүмкін.
Хром сияқты элементтер, никель, марганец, молибден, ванади, және вольфрам соңғы қорытпаның тығыздығын өзгертеді.
Тот баспайтын болаттарда, мысалы, никель мен хром қарапайым көміртекті болатқа қатысты тығыздықты сәл жоғары немесе төмен жылжыта алады.
Микроқұрылым
Болаттың тығыздығы фазалық құрылымға байланысты аздап өзгеруі мүмкін. Феррит, ауулениттер, мартенсит, және бейнит атомдарды бірдей жинамайды.
Айырмашылықтар әдетте аз, бірақ дәл инженерияда олар маңызды болуы мүмкін.
Температура және фазалық күй
Тығыздық температураға байланысты өзгереді. Болат қызған сайын, ол кеңейеді, және оның тығыздығы төмендейді.
Бұл кастингке қатысты, соғу, Термиялық өңдеу, және жоғары температуралы қызмет. Жоғары температурада, болат бірдей масса үшін сәл көбірек көлемді алады.
5. Жалпы болат отбасыларының тығыздығы
Консистенция үшін, та типтік бағалар түрінде көрсетіледі U.s. стильдік белгілер сияқты AISI/SAE, Астма, және жиі қолданылатын сауда эквиваленттері.
Төменде келтірілген мәндер инженерлік салыстыру және материалды таңдау үшін пайдаланылатын бөлме температурасының номиналды тығыздықтары болып табылады.
Көміртекті болаттың тығыздығы
Көміртекті болат жалпы легирленген құрамы салыстырмалы түрде төмен темір-көміртекті қорытпалар тобы.
Оның тығыздығы төмен жерлерде аздап өзгереді., Орташа, және жоғары көміртекті сорттар, бірақ тренд әлі де дизайн жұмысында пайдалы: көміртегі мөлшері артады, тығыздығы аздап төмендейді.
| Болат категориясы | Типтік бағалар | Тығыздық (g / cm³) | Тығыздық (кг / м³) | Тығыздық (LB / on³) |
| Төмен көміртекті болат | Айси 1010, Айси 1018, Айси 1020 | 7.85 | 7850 | 0.2836 |
| Орташа көміртекті болат | Айси 1045, Айси 1050, Айси 1055 | 7.84 | 7840 | 0.2832 |
| Жоғары көміртекті болат | Айси 1080, Айси 1090, Айси 1095 | 7.83 | 7830 | 0.2828 |
Жоғары беріктігі төмен легирленген құрылымдық болат (Hsla) Тығыздық
HSLA болаттары аздаған марганец қосындыларымен нығайтады, хромий, молибден, ниобий, ванади, немесе байланысты элементтер.
Олардың тығыздығы қарапайым көміртекті болатқа өте жақын болып қалады, сондықтан дизайн айырмашылығы салмақтан гөрі беріктік пен қаттылықтан туындайды.
| Болат категориясы | Типтік бағалар | Тығыздық (g / cm³) | Тығыздық (кг / м³) | Тығыздық (LB / on³) |
| Жалпы HSLA Steel | ASTM A572 гр 50, ASTM A992, ASTM A588 | 7.85 | 7850 | 0.2836 |
| Тозуға төзімді HSLA болаты | Ar400, AR450, AR500 | 7.82 | 7820 | 0.2825 |
| Cr-Mo қысым/құрылымдық болат | Айси 4130, Айси 4140, Айси 8640 | 7.86 | 7860 | 0.2839 |
| Құрылымдық болаттың тозуы | ASTM A588, ASTM A242 | 7.84 | 7840 | 0.2832 |
Тот баспайтын болаттың тығыздығы
Тот баспайтын болаттар металлографиялық құрылымы бойынша жіктеледі. Олардың тығыздығына хром әсер етеді, никель, молибден, және басқа легирленген элементтер.
Тот баспайтын отбасылар арасында, Остениттік тот баспайтын болат әдетте ең жоғары тығыздыққа ие.
| Болат категориясы | Типтік бағалар | Тығыздық (g / cm³) | Тығыздық (кг / м³) | Тығыздық (LB / on³) |
| Остениттік тот баспайтын болат | Айси 304, AISI 304L | 7.93 | 7930 | 0.2865 |
| Остениттік тот баспайтын болат | Айси 316, AISI 316L | 7.98 | 7980 | 0.2883 |
| Жоғары температуралық аустениттік SS | AISI 310S | 7.98 | 7980 | 0.2883 |
| Ферритті тот баспайтын болат | Айси 430, Айси 409 | 7.75 | 7750 | 0.2799 |
| Мартенситті тот баспайтын болат | Айси 410, Айси 420, Айси 431 | 7.80 | 7800 | 0.2817 |
| Тот баспайтын болаттан жасалған дуплекс | АҚШ S32205 (2205), АҚШ S32750 (2507) | 7.81 | 7810 | 0.2820 |
Құрал болатының және жоғары жылдамдықтағы болаттың тығыздығы
Аспаптық болаттар мен жоғары жылдамдықты болаттар көбінесе вольфрамның көп мөлшерін қамтиды, хромий, ванади, және кобальт.
Бұл легирленген элементтер қарапайым болаттармен салыстырғанда тығыздықты арттырады, әсіресе жоғары жылдамдықты және кобальтты сорттарда.
| Болат категориясы | Типтік бағалар | Тығыздық (g / cm³) | Тығыздық (кг / м³) | Тығыздық (LB / on³) |
| Көміртекті құрал болаты | AISI T7, AISI T8, AISI T12 | 7.83 | 7830 | 0.2828 |
| Төмен қорытпалы болат | AISI P20, AISI H13, AISI D2 | 7.85 | 7850 | 0.2836 |
| Жоғары жылдамдықты болат | AISI M2, AISI M35, AISI M42 | 8.15 | 8150 | 0.2942 |
| Кобальтты бар HSS | AISI T15, HS18-1-2-10 | 8.20 | 8200 | 0.2960 |
Арнайы функционалды болат тығыздығы
Арнайы функционалды болаттар тегін өңдеу сияқты нақты қызмет көрсету жағдайлары үшін әзірленген, Жылуға төзімділік, жоғары тығыздық, немесе төмен тығыздық.
Олардың тығыздығы стандартты болаттардан айтарлықтай ерекшеленуі мүмкін, өйткені қорытпа конструкциясы жалпы мақсаттағы құрылымдық пайдалану үшін емес, функция үшін оңтайландырылған..
| Болат категориясы | Типтік бағалар | Тығыздық (g / cm³) | Тығыздық (кг / м³) | Тығыздық (LB / on³) |
| Қорғасынды еркін кесетін болат | AISI 12L14, Айси 1215 | 7.97 | 7970 | 0.2879 |
| Жоғары хромды ыстыққа төзімді болат | Айси 309, AISI 310S, Айси 446 | 7.90 | 7900 | 0.2854 |
| Никель негізіндегі ыстыққа төзімді легирленген болат | Ынтымақ 800, Incoloy 800H | 8.06 | 8060 | 0.2910 |
| Төмен тығыздықтағы жеңіл құрылымдық болат | Арнайы төмен тығыздықты легирленген болат маркалары | 7.70 | 7700 | 0.2781 |
| Тығыздығы жоғары қарсы салмақты болат | Вольфрамды легирленген қарсы салмақты болат маркалары | 8.30 | 8300 | 0.2996 |
6. Тығыздық дизайн мен өндіріске қалай әсер етеді
Тығыздық тек зертханалық өлшем емес. Ол инженерлік шешімдерді тікелей қалыптастырады.
Салмақ және құрылымдық жүктеме
Тығыздықтың ең айқын әсері салмақ болып табылады. Болат арқалық, жақтау, немесе корпустың салмағы әдетте эквивалентті алюминий конструкциясынан әлдеқайда көп болады.
Бұл тасымалдауда кемшілік болуы мүмкін, аэроғарыш, Робототехника, немесе портативті жүйелер. Дегенмен, жоғары масса тұрақтылықта артықшылық болуы мүмкін, демсап, немесе инерция қажет.
Қаттылық пен салмақ арасындағы тепе-теңдік
Болат тығыз, бірақ ол да қатты. Көптеген қолданбаларда, инженерлер жоғары салмақты қабылдайды, өйткені болат бірдей құрылымдық өнімділік үшін кішірек қималарға мүмкіндік береді.
Басқаша айтқанда, тек тығыздық болаттың тиімді екенін анықтамайды. Болат көлемі бойынша ауыр болуы мүмкін, бірақ ол бірлік құнына өнімділік бойынша әлі де тиімді болуы мүмкін.
Тасымалдау және энергия тиімділігі
Көлік құралдарында, машиналар, және қозғалатын жабдықтар, тығыздығы отын үнемдеуге әсер етеді, жеделдету, тежеу, және жүк көтергіштігі.
Төмен тығыздықтағы материалдар массаны азайту тікелей операциялық артықшылықтарды беретін кезде жиі таңдалады. Әлі де, болат кең таралған болып қала береді, себебі ол үнемді және құрылымдық жағынан сенімді.
Өңдеу және дайындау туралы ойлар
Болаттың тығыздығы өндірісті өңдеуге де әсер етеді, арматура дизайны, құрал жүктемесі, және бөлікті манипуляциялау.
Ауыр бөлшектерді жылжыту және орналастыру қиынырақ, бірақ олардың қаттылығы жиі өңдеу немесе дәнекерлеу кезінде көмектеседі. Масса сонымен қатар кейбір машина құрылымдарында дірілді азайтуды жақсарта алады.
Инерция және динамикалық мінез-құлық
Айналмалы жүйелерде, тығыздық инерция моментіне әсер етеді. Тығызырақ болат ротор, керек заттар, немесе диск жеңілірек материалға қарағанда кинетикалық энергияны көбірек сақтайды және жылдамдық өзгерістеріне күштірек қарсы тұрады.
Бұл қолданбаға байланысты пайдалы немесе проблемалы болуы мүмкін.
7. Әмбебап түсінбеушілік
Бірінші, емдеу 7.85 г/см³ болаттың барлық маркалары үшін бекітілген тығыздық ретінде жоғары көміртекті болат салмағын асыра бағалауға әкеледі., тот баспайтын болаттың салмағын төмендеткен кезде.
секунд, теориялық тығыздықты көлемдік тығыздықпен шатастыру, құйма болаттың кеуектілік ақауын елемей, жүктің дұрыс емес конструкциясына әкеледі;
үшінші, жоғары температуралы қазандық болат бөлшектері үшін температуралық индукциялық тығыздық өзгерістерін елемеу.
8. Тығыздыққа тән шектеулер шешім индикаторы ретінде
Тығыздық болат өнімділігін бағалау үшін маңызды анықтама болып табылады, оны бір скрининг стандарты ретінде пайдалану мүмкін емес: Жоғары тығыздық жоғары сапалы болатқа тең келмейді.
Шамадан тыс ауыр легирленген элементтерден туындаған тым жоғары тығыздық болаттың қаттылығы мен суыққа төзімділігін төмендетуі мүмкін; Төмен тығыздықтағы жеңіл легірленген болат жеңіл мақсаттарды жүзеге асыру үшін ішінара қаттылықты құрбан етуі мүмкін.
Инженерлік тәжірибеде, тығыздығы қаттылықпен сәйкес келуі керек, қаттылық, толық материалды таңдау үшін коррозияға төзімділік пен температураға төзімділік.
9. Басқа инженерлік материалдармен тығыздықты салыстыру
Болатты басқа қарапайым инженерлік материалдармен салыстырған кезде түсіну оңайырақ болады.
| Материал | Типтік тығыздық (g / cm³) | Типтік тығыздық (кг / м³) | Типтік тығыздық (LB / on³) | Инженерлік интерпретация |
| Магний қорытпасы | 1.70–1,85 | 1700– 1850 | 0.061– 0,067 | Өте жеңіл, бірақ беріктігі мен қаттылығы төмен |
| Алюминий қорытпасы | 2.65–2,80 | 2650-2800 | 0.096–0,101 | Өте жеңіл, салмаққа сезімтал конструкциялар үшін кеңінен қолданылады |
| Титан қорытпасы | 4.40–4,60 | 4400– 4600 | 0.159–0,166 | Болаттан жеңіл, бірақ салмақ бірлігіне қарағанда әлдеқайда күшті |
| Шойын | 6.90–7.30 | 6900– 7300 | 0.249– 0,264 | Болатқа қарағанда тығыздығы сәл аз, бірақ мезгілде |
| Көміртекті болат | 7.75–7,85 | 7750– 7850 | 0.280– 0,284 | Стандартты тығыз құрылымдық материал |
Тот баспайтын болат |
7.70– 8.00 | 7700– 8000 | 0.278– 0,289 | Көміртекті болатқа ұқсас немесе сәл тығызырақ |
| Мыс | 8.85–8,95 | 8850– 8950 | 0.320– 0,323 | Болаттан ауыр, Тамаша өткізгіштік |
| Жез | 8.40–8,75 | 8400– 8750 | 0.304– 0,316 | Ауыр, бірақ жан-жақты, жақсы сыртқы түрі және өңдеуге қабілеттілігі |
| Никель қорытпалары | 8.20–8,90 | 8200– 8900 | 0.296– 0,321 | Қалаң, жоғары температура немесе коррозия өнімділігі маңызды болғанда қолданылады |
| Вольфрам | 19.0–19.3 | 19000– 19300 | 0.686–0,697 | Өте тығыз, қарсы салмақтарда қолданылады, қолқаржайтын, және жоғары тығыздықтағы қолданбалар |
10. Қорытынды
Болаттың тығыздығы әдетте шамамен 7.85 g / cm³, бірақ нақты мән қорытпалар отбасына байланысты өзгереді, Микроқұрылым, және температура.
Ең бастысы, тығыздық оқшауланған қасиет емес. Ол күшпен әрекеттеседі, қаттылық, құны, Коррозияға төзімділік, ұжым, және қызмет өнімділігі.
Болат ең маңызды инженерлік материалдардың бірі болып қала береді, өйткені оның тығыздығы өнімді ортада орналасқан.: қаттылықты қамтамасыз ету үшін жеткілікті ауыр, тұрақтылық, және көлемді күш, құрылыс пен өнеркәсіпте үстемдік етуге жеткілікті үнемді және жан-жақты.
Дизайнерлерге арналған, болат тығыздығын түсіну массаның бүкіл жүйеге қалай әсер ететінін түсінуді білдіреді, дайындау және тасымалдаудан пайдалану және өмірлік цикл құнына дейін.
ЖҚС
Неліктен болат тығыз?
Өйткені бұл жеңіл металдармен салыстырғанда тығыз оралған атомдық құрылымы және салыстырмалы түрде ауыр легирленген элементтері бар темір негізіндегі қорытпа..
Тығыздық болат беріктігіне әсер етеді ме?
Тікелей емес. Тығыздық пен беріктік - әртүрлі қасиеттер, екеуі де дизайн шешімдеріне әсер етеді.
Тығыздығы төмен болат әрқашан жақсы?
Жоқ. Төменгі тығыздық салмақты азайтуға көмектеседі, бірақ ең жақсы материал күшке байланысты, қаттылық, құны, Коррозияға төзімділік, және қолданбалы қажеттіліктер.
Болатты алюминиймен қалай салыстырады??
Болат әлдеқайда тығыз және әдетте жаппай пайдалануда күштірек, ал алюминий салмаққа сезімтал конструкциялар үшін әлдеқайда жеңіл және жақсырақ.
Температура болаттың тығыздығын өзгерте ме?
Иә. Температура көтерілген сайын, болат кеңейеді және тығыздығы аздап төмендейді.
