Plieno tankis: Kas tai yra ir kodėl tai svarbu

1. Įvadas

Plienas yra viena iš plačiausiai naudojamų inžinerinių medžiagų pasaulyje, o jo tankis yra viena iš svarbiausių fizinių savybių, lemiančių jo parinkimą, suprojektuoti, apdorotas, ir taikė.

Tankis turi įtakos masei, inercija, transporto kaina, konstrukcinė apkrova, tvarkymo elgesys, ir net energijos suvartojimą per gaminio gyvavimo ciklą.

Dėl šios priežasties, plieno tankis nėra triviali katalogo reikšmė. Tai yra pagrindinis dizaino parametras.

2. Ką tankis reiškia medžiagų inžinerijoje

Medžiagų inžinerijoje, tankis Nurodo, kiek masės yra tam tikrame medžiagos tūryje.

Tai viena iš svarbiausių fizinių savybių, nes ji nurodo inžinieriams, kokia „kompaktiška“ medžiaga yra atominiu ir makroskopiniu lygiu..

Medžiaga, tokia kaip plienas, jaučiasi sunki ir kieta, nes santykinai daug medžiagos yra supakuota į santykinai mažą erdvę, todėl jis turi palyginti didelį tankį.

Ryšys išreiškiamas pagrindine lygtimi:

Tankis = masė / Apimtis

arba, simboline forma:

ρ = m / V

kur:

• r = tankis
• m = masė
• V = tūris

Tankis paprastai matuojamas tokiais vienetais kaip g/cm³ arba kg/m³ metrinėje sistemoje, ir lb/in³ arba lb/ft³ imperijos vienetais.

Inžineriniu požiūriu, tankis yra an intensyvus turtas. Tai reiškia, kad jo vertė nesikeičia vien dėl to, kad keičiasi medžiagos kiekis.

Mažas plieno gabalas ir didelė plieno plokštė turi tokį patį tankį, nors jų masė labai skiriasi. Keičiasi bendras medžiagos kiekis, ne pats tankis.

Štai kodėl tankis yra toks svarbus renkantis dizainą ir medžiagą.

Tai turi įtakos svoriui, inercija, transporto kaina, konstrukcinė apkrova, ir bendrą efektyvumą, tačiau ji išlieka stabili medžiagos charakteristika, nepaisant dalies dydžio.

3. Tipiškas plieno tankio diapazonas

Daugumos paprastų anglies ir mažai legiruotų plienų tankis yra nuo 7.75 į 8.05 g/cm³, su 7.85 g/cm³ dažnai naudojamas kaip įprastinė atskaitos vertė. SI terminais, tai apytiksliai 7,850 kg/m³.

Ta vertybė nėra universali. Skirtingos plieno rūšys šiek tiek skiriasi dėl legiravimo elementų, fazės sudėtis, ir apdorojimo istorija turi įtakos tankiui.

Nerūdijantys plienai, pavyzdžiui, Priklausomai nuo sudėties, gali nukristi šiek tiek aukščiau arba žemiau įprasto anglinio plieno standarto.

4. Kodėl skiriasi plieno tankis

Plienas nėra viena medžiaga. Tai geležies lydinių šeima, ir tankis kinta priklausomai nuo sudėties ir struktūros.

Anglies kiekis

Anglies kiekis įtakoja tankį tik nežymiai, nes anglies yra nedideli kiekiai. Tačiau, tai vis dar prisideda prie skirtumų tarp klasių.

Daugeliu praktinių atvejų, anglies kiekis nėra pagrindinis tankio kitimo veiksnys, bet tai yra bendros kompozicijos balanso dalis.

Legiravimo elementai

Legiravimo elementai gali padidinti arba sumažinti tankį, priklausomai nuo jų atominės masės ir koncentracijos.

Tokie elementai kaip chromas, Nikelis, Manganas, molibdenas, vanadis, ir volframas keičia galutinio lydinio tankį.

Iš nerūdijančio plieno, pavyzdžiui, nikelis ir chromas gali šiek tiek pakeisti tankį aukštyn arba žemyn, palyginti su paprasto anglinio plieno.

Mikrostruktūra

Plieno tankis taip pat gali šiek tiek skirtis priklausomai nuo fazės struktūros. Feritas, Austenitas, martensitas, ir bainitas ne visus atomus supakuoja lygiai taip pat.

Skirtumai paprastai yra nedideli, bet tiksliojoje inžinerijoje jie gali būti svarbūs.

Temperatūra ir fazės būsena

Tankis kinta priklausomai nuo temperatūros. Kai plienas įkaista, it expands, ir jo tankis mažėja.

Tai aktualu liejant, kalimas, terminis apdorojimas, ir aukštos temperatūros aptarnavimas. Esant aukštai temperatūrai, plienas užima šiek tiek daugiau tūrio tai pačiai masei.

5. Įprastų plieno šeimų tankis

Dėl nuoseklumo, the tipiniai pažymiai yra išreikšti JAV. stiliaus žymėjimai tokių kaip AISI/SAE, ASTM, ir dažniausiai naudojami prekybiniai ekvivalentai.

Žemiau pateiktos vertės yra vardiniai kambario temperatūros tankiai, naudojami inžineriniam palyginimui ir medžiagų pasirinkimui.

Anglies plieno tankis

Anglies plienas yra geležies ir anglies lydinių šeima, kurios bendras legiravimo kiekis yra palyginti mažas.

Jo tankis mažai skiriasi, vidutinė-, ir daug anglies dioksido išskiriančių rūšių, tačiau ši tendencija vis dar naudinga projektuojant: didėjant anglies kiekiui, tankis mažėja labai nežymiai.

Didelio stiprumo mažai legiruotas konstrukcinis plienas (HSLA) Tankis

HSLA plienas yra sustiprintas mažais mangano priedais, Chromas, molibdenas, niobium, vanadis, arba susijusius elementus.

Jų tankis išlieka labai artimas įprasto anglinio plieno tankiui, todėl dizaino skirtumas atsiranda dėl stiprumo ir tvirtumo, o ne dėl svorio.

Nerūdijančio plieno tankis

Nerūdijantys plienai klasifikuojami pagal metalografinę struktūrą. Jų tankiui įtakos turi chromas, Nikelis, molibdenas, ir kiti legiravimo elementai.

Tarp nerūdijančių šeimų, austenitinis nerūdijantis plienas paprastai turi didžiausią tankį.

Įrankinio plieno ir greitaeigio plieno tankis

Įrankių plienuose ir greitaeigiuose plienuose dažnai yra daug volframo, Chromas, vanadis, ir kobalto.

Šie legiravimo elementai padidina tankį, palyginti su įprastu plienu, ypač didelio greičio ir kobalto turinčiose markėse.

Specialus funkcinis plieno tankis

Specialūs funkciniai plienai yra sukurti tam tikroms eksploatavimo sąlygoms, tokioms kaip nemokamas apdirbimas, Šilumos atsparumas, Didelis tankis, arba mažo tankio.

Jų tankis gali labiau skirtis nuo standartinių plienų, nes lydinio konstrukcija yra optimizuota pagal funkciją, o ne bendrosios paskirties konstrukcijoms..

6. Kaip tankis veikia dizainą ir gamybą

Tankis nėra tik laboratorinis matavimas. Tai tiesiogiai formuoja inžinerinius sprendimus.

Svoris ir konstrukcinė apkrova

Akivaizdžiausias tankio poveikis yra svoris. Plieninė sija, rėmelis, arba korpusas paprastai sveria daug daugiau nei lygiavertis aliuminio dizainas.

Tai gali būti trūkumas transportuojant, aviacijos ir kosmoso, Robotika, arba nešiojamąsias sistemas. Tačiau, didesnė masė taip pat gali būti privalumas, kai stabilumas, slopinimas, arba norima inercijos.

Standumo ir svorio balansas

Plienas yra tankus, bet ir kietas. Daugelyje programų, inžinieriai sutinka su didesniu svoriu, nes plienas leidžia mažesnius skerspjūvius, kad būtų užtikrintos tokios pačios konstrukcijos savybės.

Kitaip tariant, vien tankis nenulemia, ar plienas yra efektyvus. Plienas gali būti sunkesnis pagal tūrį, tačiau jis vis tiek gali būti efektyvus pagal vieneto kainą.

Transportas ir energijos vartojimo efektyvumas

Transporto priemonėse, Mašinos, ir judančią įrangą, tankis turi įtakos degalų taupymui, pagreitis, stabdymas, ir naudingoji apkrova.

Mažesnio tankio medžiagoms dažnai teikiama pirmenybė, kai masės mažinimas duoda tiesioginės veiklos naudos. Vis tiek, plienas išlieka įprastas, nes yra ekonomiškas ir struktūriškai patikimas.

Apdirbimo ir gamybos svarstymai

Plieno tankis taip pat turi įtakos gamybos valdymui, armatūros dizainas, įrankio apkrova, ir dalių manipuliavimas.

Sunkesnes dalis sunkiau perkelti ir padėti, tačiau jų standumas dažnai padeda apdirbant ar suvirinant. Masė taip pat gali pagerinti kai kurių mašinų konstrukcijų vibracijos slopinimą.

Inercija ir dinaminis elgesys

Besisukančiose sistemose, tankis turi įtakos inercijos momentui. Tankesnis plieninis rotorius, pavara, arba diskas sukaupia daugiau kinetinės energijos ir priešinasi greičio pokyčiams stipriau nei lengvesnė medžiaga.

Tai gali būti naudinga arba problemiška, priklausomai nuo programos.

7. Visuotiniai nesusipratimai

Pirma, gydantis 7.85 g/cm³, kaip fiksuotas tankis visoms plieno rūšims, pervertina daug anglies turinčio plieno svorį, neįvertindamas nerūdijančio plieno svorio.

antra, painiojantis teorinį tankį su tūriniu tankiu, nekreipiant dėmesio į liejamo plieno poringumą ir dėl to susidaro netiksli apkrovos konstrukcija;

trečia, nepaisant temperatūros sukeltų tankio pokyčių aukštos temperatūros katilo plieninėms dalims.

8. Įgimti tankio, kaip sprendimo indikatoriaus, apribojimai

Nors tankis yra svarbi plieno eksploatacinių savybių vertinimo nuoroda, jis negali būti naudojamas kaip vienas atrankos standartas: Didelis tankis neprilygsta aukštos kokybės plienui.

Per didelis tankis, kurį sukelia per daug sunkiųjų lydinio elementų, gali sumažinti plieno kietumą ir atsparumą šalčiui; mažo tankio lengvasis legiruotas plienas gali paaukoti dalinį standumą, kad būtų pasiekti lengvi tikslai.

Inžinerinėje praktikoje, tankis turi būti suderintas su kietumu, Tvirtumas, atsparumas korozijai ir atsparumas temperatūrai, kad būtų galima atlikti išsamų medžiagų pasirinkimą.

9. Tankio palyginimas su kitomis inžinerinėmis medžiagomis

Plienas tampa lengviau suprantamas, kai jis lyginamas su kitomis įprastomis inžinerinėmis medžiagomis.

10. Išvada

Plieno tankis paprastai yra maždaug 7.85 g/cm³, bet tiksli vertė skiriasi priklausomai nuo lydinių šeimos, Mikrostruktūra, ir temperatūra.

Dar svarbiau, tankis nėra atskira savybė. Tai sąveikauja su jėga, standumas, Kaina, atsparumas korozijai, Gamyba, ir aptarnavimo našumą.

Plienas išlieka viena iš svarbiausių inžinerinių medžiagų būtent dėl ​​to, kad jo tankis yra produktyvus vidurys: pakankamai sunkus, kad užtikrintų standumą, stabilumas, ir tūrio stiprumą, tačiau ekonomiškas ir pakankamai universalus, kad dominuotų statybose ir pramonėje.

Dizaineriams, suprasti plieno tankį reiškia suprasti, kaip masė veikia visą sistemą, nuo gamybos ir transportavimo iki eksploatavimo ir gyvavimo ciklo sąnaudų.

 

DUK

Kodėl plienas toks tankus?

Kadangi tai yra geležies lydinys, turintis sandariai supakuotą atominę struktūrą ir palyginti sunkius legiruojančius elementus, palyginti su lengvaisiais metalais..

Ar tankis turi įtakos plieno stiprumui?

Ne tiesiogiai. Tankis ir stiprumas yra skirtingos savybės, nors jie abu daro įtaką dizaino sprendimams.

Ar mažesnio tankio plienas visada geresnis?

Ne. Mažesnis tankis gali padėti sumažinti svorį, bet geriausia medžiaga priklauso nuo stiprumo, standumas, Kaina, atsparumas korozijai, ir taikymo poreikius.

Kaip plienas lyginamas su aliuminiu?

Plienas yra daug tankesnis ir paprastai tvirtesnis naudojant urmu, o aliuminis yra daug lengvesnis ir geresnis svoriui jautriems konstrukcijoms.

Ar temperatūra keičia plieno tankį?

Taip. Kylant temperatūrai, plienas plečiasi, o tankis šiek tiek sumažėja.