استحکام این پروفیل شیاردار چقدر است (قسمت اول)؟​

لومینیوم با عدد اتمی 13 و جرم اتمی 98/26 می‎باشد و دارای 13 الکترون در سه اوربیتال لایه‎ی ظرفیتش می‎باشد. می‎دانیم که تعداد الکترون‎های لایه‎ی آخر هر عنصر میزان ظرفیت آن را نشان  می‎دهد. به عبارت دیگر آلومینیوم عنصری سه ظرفیتی است.

زمانی که یک فلز از حالت مذاب به جامد تبدیل می‎شود، ساختاری در آن ایجاد می‎شود که به ساختار کریستالی موسوم می‎باشد. در این حالت اتم‎ها تحت الگوی خاصی در کنار یکدیگر قرار می‎گیرند و ساختارهای خاصی به وجود می‎آورند که متالوژیست‎ها با عنوان شبکه‎ی کریستالی از آن یاد می‎کنند. تمامی ویژگی‎هایی که یک عنصر از خود بروز می‎دهد را می‎بایست در ویژگی‎های اتم و همچنین ساختار مولکولی آن جستجو کرد. ساختار کریستالی مکعبی آلومینیوم که در آن اتم‎ها در گوشه‎ها و مراکز سطوح مکعب قرار می‎گیرند باعث شده‎است که اتم‎ها به راحتی بتوانند روی هم بلغزند و ویژگی‎هایی مانند فرم‎پذیری و شکل‎پذیری بالا را دارا باشد

ویژگی‎ها منحصر به فرد آلومینیوم موجب شده‎است که این فلز پس از فولاد پر مصرف‎ترین فلز دنیا محسوب گردد. امروزه بسیاری از تولیدکنندگان دستگاه‎‎های صنعتی برای ساخت استراکچر آن‎ها از پروفیل‎های آلومینیومی استفاده می‎کنند. به خصوص که پروفیل های شیاردار با مقطع خاصشان می توانند سازه هایی با استحکام بالا ایجاد کنند. هنگامی که این مشتریان به بخش فروش مراجعه می‎کنند یک سوال مشترک مطرح می‎کنند: پروفیل‎های آلومینیومی چقدر وزن را تحمل می‎کند؟

برای پاسخ به این سوال لازم است که با یک سری از اصول علم مکانیک و ویژگی‎های آلومینیوم آشنا شویم تا بتوانیم ابعاد مختلف این سوال را مورد ارزیابی قرار دهیم. این رشته از مقالات قصد دارد پاسخی برای این سوال پیدا کند.

آلیاژهای آلومینیوم

به طور کلی آلیاژ به معنی افزودن یک یا چند عنصر یا ترکیبی از آن‎ها به فلز پایه برای دستیابی به یکسری خواص خاص می‎باشد. تغییر خواص فلز به دست آمده بسته به عنصر پایه و نیز عناصر آلیاژی اضافه‎شده می‎تواند وابسته به یک عنصر یا ترکیبی از عناصر اضافه‎شده باشد. استحکام و سختی فلز خالص همیشه کمتر از آلیاژهای آن فلز است و از این رو در بیشتر موارد از آلیاژ به جای عنصر خالص استفاده می‎شود. معمولا هر چه فلز خالص‎تر باشد استحکام آن کمتر ولی در عین حال پایداری شیمیایی و نرمی آن بیشتر است. اگرچه آلیاژهای آلومینیوم دارای استحکام بیشتری نسبت به آلومینیوم خالص هستند اما این استحکام برای کاربردهایی که تحت تنش‎های بالا هستند کافی نیستو لذا این آلیاژها نیز نیاز به افزایش استحکام بیشتری دارند و به همین دلیل از طرق مختلف استحکام آن‎را افزایش می‎دهند که کار سختی (نورد، کشش، پرس و ...) و همچنین هملیات حرارتی – پیر سختی از آن دسته می‎باشد.

عناصر آلیاژی آلومینیوم

هر یک از عناصر آلیاژی به تنهایی یا در حضور سایر عناصر خواص ویژه‎ای را به آلومینیوم می‎دهد. تاثیر هر یک از عناصر در حالتی که به تنهایی به فلز پایه‎ی آلومینیوم افزوده گردد به صورت زیر قابل بیان است:

مس(Cu)

بیشترین میزان مس مورد استفاده در آلیاژهای آلومینیوم 4% تا 10% می‎باشد.

مزیت: بهبود عملیات حرارت پذیری آلیاژ

عیب: کاهش مقاومت در مقابل ترک گرم، خوردگی شیمیایی و حساسیت به خوردگی ناشی از تنش و قابلیت ریخته‎گری

سیسلیم (Si)

خانواده‎ی آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیوم کاربرد بسیار زیادی در صنعت دارند.

مزیت: بهبود قابلیت ریخته‎گری و سیالیت و مقاومت به ترک گرم و خاصیت مذاب رسانی آلومینیوم.

منیزیم(Mg)

مزیت: اساس بهبود استحکام و سختی در آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیوم عملیات حرارت‎پذیر می‎باشد.

آلیاژهای دوتایی آلومینیوم – منیزیم به طور گسترده در کاربردهایی که نیاز به سطح تمام‎شده‎ی روشن و مقاومت به خوردگی و همچنین ترکیبی از استحکام و شکل‎پذیری دارند مورد استفاده قرار می‎گیرند.

روی (Zn)

روی به تنهایی اثر چندان مفیدی بر آلومینیوم ندارد.

مزیت: به همراه مس و یا منیزیم در ترکیب شیمیایی آلیاژهایی که از طریق دایکست و ریخته‎گری ثقلی تهیه می‎شوند یافت می‎شود.

قلع  (Sn)

این عنصر دارای خاصیت ضد اصطکاکی است و بیشتر برای کاربردهای یاتاقانی استفاده می‎شود.

مزیت: بهبود خاصیت ماشین‎کاری

عیب: ممکن است در بعضی از آلیاژها رسوب سختی را افزایش دهد.

سرب (Pb)

مزیت: در آلیاژهای ریختگی با مقدار بیش از 0.1% می‎تواند باعث بهبود خاصیت ماشین‎کاری گردد.

آهن(Fe)

مزیت: بهبود مقاومت به ترک گرم و کاهش امکان جوش خوردن قطعه به قالب در ریختگی تزریقی. آهن با دیگر عناصر موجود در آلیاژ واکنس نشان داده و باعث ایجاد ترکیبات بین فلزی و یا فازهای غیر محلول در مذاب آلومینیوم می‎شود که این فازها استحکام در دماهای کاربردی بالا را بهبود می‎بخشند.

عیب: وجود آهن بیش از میزان استاندارد می‎تواند باعث کاهش فرم‎پذیری فلز گردد و همچنین به علت ایجاد فازهای غیر محلول می‎تواند موجب کاهش سیالیت ومذاب‎رسانی گردد.

منگنز (Mn)

وجود عنصر منگنز بیشتر در آلیاژهای آلومینیوم به علت کاهش عصر تخریبی آهن به صورت فازهای شکننده و ترد می‎باشد و مقدار آن حدود نصف مقدار آهن می‎باشد.

کروم (Cr)

مزیت: در برخی آلیاژها مقاومت در برابر خوردگی را افزایش می‎دهد و در مقادیر بالاتر حساسیت به سریع سرد شدن را افزایش می‎دهد.

نیکل(Ni)

مزیت: این عنصر همراه با مس مقاومت در درجه‎ی حرارت بالا را افزایش می‎دهد و همچنین ضریب انبساط حرارتی را کاهش می‎دهد.

فسفر(P)

مزیت: عصر سیلیسیوم به عنوان عاملی برای جوانه زنی فاز سیلیسیوم می‎باشد.

عیب: فسفر اثر اصلاح‎سازی سدیم و استرانسیم را از بین می‎برد.

تیتانیم(Ti)

این عنصر برای ریز کردن ساختار در آلیاژهای ریختگی آلومینیوم استفاده می‎شود و معمولا همراه کمی بُر استفاده می‎شود.

استرانسیم(Sr)

مزیت: با مقدار کم در حد 0.02% تا 0.04% درصد برای اصلاح و بهسازی مورد استفاده قرار می‎گیرد.

عیب: مقدار بیش‎ از حد استاندارد این عنصر می‎تواند باعث ایجاد تخلخل بخصوص در قطعات ضخبم که سرعت انجماد آن آهسته است می‎شود.

آنتیموان(Sb) و سدیم (Na)

مقادیر استفاده‎شده از این دو عنصر بسیار کم و در حدود 0.05% می‎باشد

مزیت: جهت اصلاح و بهسازی سیلیسیم در آلیاژهای آلومینیوم – سیلیسیوم می‎باشد.

طبقه‎بندی آلیاژهای آلومینیوم

محصولات ساخته‎شده از آلیاژهای آلومینیوم بر اساس روش ساخت به دودسته تقسیم می‎شوند:

1- آلیاژهای کارپذیر: این آلیاژها با استفاده از فرآیندهای شکل‎دهی (در حالت‎های گرم وسرد) تولید می‎شوند.

2- آلیاژهای ریختگی: در این مدل از آلیاژهای آن را ذوب و سپس ریخته‎گری می‎کنند.

آلیاژهای کارپذیر و ریختگی از نقطه‎نظر شیمایی و ساختار میکروسکوپی با هم تفاوت‎های آشکاری دارند. در طبقه‎بندی کلی آلیاژهای آلومینیوم را مشاهده می‎کنید.

بر اساس استاندارد ملی آمریکا (AA) شیوه‎ی نامگذاری آلیاژهای آلومینیوم، یک عدد چهاررقمی است که عدد اول از چپ، عنصر اصلی آلیاژی را تعیین می‎کند و اعداد بعدی خلوص آن را تعیین می‎کنند.