كثافة الفولاذ المقاوم للصدأ: جداول الدرجات، القياس

تتراوح الكثافة السائبة للفولاذ المقاوم للصدأ عادةً بين 7.5 و8.0 جم/سم مكعب (7,500-8,000 كجم/م³). تُظهر الدرجات المحددة اختلافات صغيرة ولكنها مهمة: النوع 304 حوالي 7.93-8.00 جم/سم مكعباكتب 316 بالقرب من 7.98 - 8.00 جم/سم مكعبوالدرجات المزدوجة تقع عادةً بالقرب من 7.8 جم/سم مكعب. تتحكم هذه القيم في تقديرات الوزن، والتصميم الهيكلي، وتكاليف الشحن، وفحوصات الطفو واختبارات الجودة.

ماذا تعني "الكثافة" بالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ

الكثافة تساوي الكتلة مقسومة على الحجم. بالنسبة للسبائك، يعتمد هذا الثابت الفيزيائي على الكميات والكتل الذرية للعناصر المكونة بالإضافة إلى أي فراغات داخلية. في الممارسة الهندسية اليومية، تحول الكثافة حجم الجزء إلى كتلة، والعكس صحيح. ويستخدم المصممون الكثافة لتحديد حجم الهياكل، وتقدير وزن النقل، والتحقق مما إذا كانت الدفعة الواردة تتطابق مع الكيمياء والمعالجة المتوقعة. الوحدات الهندسية النموذجية هي g/cm³، و kg/m³، و lb/in³.

نطاقات الكثافة النموذجية حسب عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ والدرجات الشائعة

مرجع سريع - الكثافات عند درجة حرارة 20 درجة مئوية تقريبًا (القيم الاسمية النموذجية)

ملاحظات على الجدول

• القيم هي القيم الهندسية النموذجية الاسمية المستخدمة في الحساب والمشتريات. تختلف القياسات الواقعية باختلاف التركيب الدقيق والمعالجة الحرارية.

• تسرد العديد من أوراق بيانات الموردين والمعايير الوطنية الكثافات "النموذجية". ولاستخدام المواصفات التي يمكن تتبعها، اطلب تقرير منتصف المدة أو ورقة بيانات المورد.

لماذا تتغير كثافة التركيبات

الوزن الذري مهم. فالنيكل (الكتلة الذرية 58.7 تقريبًا) والموليبدينوم (95.9 تقريبًا) أثقل من الحديد (55.8 تقريبًا) والكروم (52.0 تقريبًا). عندما تحتوي الدرجة على محتوى أعلى من النيكل أو الموليبدينوم تزداد الكثافة الظاهرية عادةً قليلاً. وعلى العكس من ذلك، يمكن أن تظهر الكثافة المنخفضة للصفوف الحديدية منخفضة النيكل، أو الصفوف التي تحتوي على كميات أعلى من العناصر الخفيفة (مثل النيتروجين في بعض السبائك المصممة هندسيًا). ويؤثر جزء الطور أيضًا على الكثافة: تقوم شبكة الفريت المكعبة المتمركزة حول الجسم بتعبئة الذرات بشكل مختلف قليلاً عن الأوستينيت المكعب المتمركز حول الوجه، مما يسبب تحولات طفيفة في الكثافة لنفس الكيمياء.

التركيبة القصيرة → جدول الكثافة (توضيحي)

الاعتماد على درجة الحرارة والتمدد الحراري

الكثافة حساسة لدرجة الحرارة لأن التمدد الحراري يزيد من الحجم. بالنسبة إلى الفولاذ المقاوم للصدأ، تتراوح معاملات التمدد الحراري الخطي عادةً بين 10 و17 × 10 × 10 ⁶ / كلفن. على نطاقات درجات الحرارة المتواضعة (من درجة حرارة الغرفة إلى بضع مئات من درجات الحرارة المئوية)، تنخفض الكثافة مع درجة الحرارة وفقًا لقانون التمدد الحجمي. لإجراء فحوصات هندسية سريعة، استخدم:

​ρT​=ρT0/1+3α(T-T0​)​​​​​

حيث ρ هي الكثافة، α هي المعامل الخطي، وT هي المعامل الخطي، وT هي المعامل الخطي بدرجة مئوية، وT هي المعامل المرجعي (عادةً 20 درجة مئوية). للحصول على عمل دقيق، استخدم منحنيات التمدد الحراري المقاسة من ورقة بيانات الدرجة. التغير النموذجي في الكثافة صغير: عشرات الأجزاء في الألف عبر ارتفاع 300 درجة مئوية.

كيفية قياس الكثافة - الطرق والمعايير العملية

التقنيات العملية الرئيسية:

أ) طريقة أرخميدس للطفو (الوزن في الهواء، والوزن في السائل)

• تستخدم على نطاق واسع للأجزاء السائبة وعينات المختبر. المتطلبات: ميزان دقيق، سائل يمكن التحكم في درجة حرارته، تفريغ جيد للغاز، عينة خالية من المسامية المفتوحة المتصلة بالسطح التي يمكن أن تمتص السائل. بالنسبة لمسحوق المعادن والعناصر المسامية هناك طرق معدلة. المعيار الشائع الذي يغطي الممارسة على غرار أرخميدس للأجزاء المسامية هو ASTM B311.

ب) قياس الغازات

• مفيد للمساحيق والمواد المسامية. يؤدي قياس الحجم بالغاز المنزاح إلى دقة عالية.

ج) الحجم الهندسي + الكتلة

• بالنسبة للأشكال المنتظمة البسيطة، قم بقياس الأبعاد بدقة، ثم احسب الحجم، ثم اقسم الكتلة على الحجم.

د) القياس الحجمي بالأشعة السينية والتصوير المقطعي المحوسب

• بالنسبة للأشكال المعقدة أو رسم خرائط المسامية الداخلية، يمكن للتصوير المقطعي المحوسب أن يعطي حجمًا دقيقًا. هذه الطريقة شائعة في البحث والتطوير وتأهيل التصنيع المضاف.

المعايير وملاحظات الممارسة

• بالنسبة للأجزاء PM ذات المسامية المحتملة، اتبع ASTM B311 أو طرق ASTM ذات الصلة التي تتضمن خيارات التشريب للمسام المفتوحة. بالنسبة لأجزاء AM، توصي منشورات التقييم المتخصصة بالتحكم الدقيق في ظروف الغمر.

حساب الوزن بسرعة - الصيغ والأمثلة العملية

الصيغة الأساسية

الكتلة (كجم)=ρ(كجم/م³)×الحجم (m³)

التحويلات الشائعة للوحدات

مثال عملي 1 - صفيحة مسطحة

• أبعاد اللوحة: 2.0 م × 1.0 م × 6.0 مم (0.006 م)

• الحجم = 2 × 1 × 0.006 × 0.006 = 0.012 م³

• استخدام 304 استخدام الكثافة الاسمية 7,930 كجم/م³

• الكتلة = 7,930 × 0.012 × 0.012 = 95.16 كجم

مثال عملي 2 - جزء الأنبوب

• طول الأنبوب: 3 م، القطر الخارجي 0.200 م، سمك الجدار 6 مم (0.006 م)

• نصف القطر الخارجي rm_2092↩ = 0.100 م؛ نصف القطر الداخلي rm_1D62↩ = 0.094 م

• Volume per meter = π (rₒ² − rᵢ²) × length

• الحجم = π × (0.0100 - 0.008836) × 3 ≈ π × 0.001164 × 3 ≈ 0.01098 م³

• الكتلة (304) ≈ 7930 × 0.01098 ≈ 87.1 كجم

مرجع سريع - الوزن لكل متر مكعب

• 1 متر مكعب من 304 ≈ 7,930 كجم

• 1 متر مكعب من 316 ≈ 7,980 كجم

قم بتضمين هذه الآلات الحاسبة في جداول البيانات الخاصة بتسعير المشتريات والخدمات اللوجستية.

تفاوتات التصنيع والمسامية وتشطيب السطح والكثافة

• المنتجات المدرفلة الصلبة أو المطروقة:: الكثافة عادةً قريبة من القيمة الإجمالية النظرية. تأتي الاختلافات من الاختلافات الصغيرة في التركيب والمسامية الطفيفة المتبقية (<0.1%)، وعادةً ما تكون ضئيلة بالنسبة لفحوصات الوزن الهندسية. عادةً ما تسرد أوراق بيانات الموردين كثافة "نموذجية" واحدة.

• الأجزاء المصبوبة أو المضافة:: قد تقلل مسام الانكماش الداخلي من الكثافة الفعالة. بالنسبة للمسبوكات غالباً ما يتم استخدام مواصفات السلامة أو فحص الكثافة المقيسة.

• تعدين المساحيق:: حسب التصميم يمكن أن يكون لها مسامية كبيرة؛ تتطلب المعايير الإبلاغ عن جزء التكثيف أو الكثافة الظاهرية المقاسة بطرق ASTM.

• طلاء الأسطح والطلاء:: إضافة الكتلة؛ تضمين كتلة الطلاء لكل مساحة في الحسابات النهائية.

ممارسات الشراء الموصى بها

• طلب تقارير اختبار المطاحن (تقارير اختبار المطاحن) التي تتضمن التركيب الكيميائي، وعند الضرورة، الكثافة المقيسة أو الثقل النوعي. عندما يكون تحمل الوزن حرجًا، اطلب عينة فحص أو شهادة اختبار الكثافة.

عندما تكون الكثافة مهمة - حالات عملية

• المكونات الهيكلية:: يؤثر الوزن على مسارات الحمل والتوصيلات.

• المعدات الدوارة:: تؤثر الكتلة والتوزيع الكتلي على التوازن.

• أنابيب الضغط والخزانات:: الوزن الدقيق المطلوب لتصميم الدعم والخدمات اللوجستية.

• الأنظمة البحرية والعائمة:: تعتمد تجهيزات الهيكل، والصابورة، وفحوصات الإزاحة على الكثافة.

• الأجزاء المصنعة بشكل إضافي:: الكثافة المقاسة غالباً ما تستخدم كبوابة للجودة للإشارة إلى المسامية المقبولة.

مقارنات سريعة مع المعادن الشائعة الأخرى (اسمية عند 20 درجة مئوية)

الأسئلة الشائعة

1. ما الثقل النوعي للفولاذ المقاوم للصدأ؟
   الثقل النوعي هو نسبة الكثافة إلى الماء (1 جم/سم مكعب). وبالنسبة للفولاذ المقاوم للصدأ، تتراوح الجاذبية النوعية عادةً بين 7.5 و8.0.

2. هل 304 المقاوم للصدأ 304 أثقل من 316؟
   قليلاً. عادةً ما يكون لـ 316 كثافة اسمية أعلى بشكل هامشي من 304، ويرجع ذلك أساسًا إلى الموليبدينوم والنيكل الأعلى قليلاً.

3. ما مدى دقة أرقام كثافة الموردين النموذجية؟
   الكثافات النموذجية للموردين مناسبة للمشتريات والخدمات اللوجستية. للحصول على هندسة دقيقة أو ضمان الجودة، قم بقياس الكثافة على عينة باستخدام أرخميدس أو قياس الكثافة الغازية.

4. هل تغير المعالجة الحرارية الكثافة؟
   تسبب المعالجة الحرارية تغيرًا مباشرًا ضئيلًا في الكثافة الكيميائية. تؤثر التغيرات في البنية المجهرية على جزء التعبئة بشكل طفيف، لكن التغيرات في الحجم عادةً ما تكون ضئيلة مقارنةً بالاختلافات الناتجة عن التركيب.

5. كيف يمكنني تحويل الكثافة إلى وزن لكل متر مربع للورقة؟
   الوزن لكل متر مربع = الكثافة (كجم/متر مكعب) × السماكة (م). مثال: 1.0 مم 304 صفيحة 304: 7.930 كجم/م³ × 0.001 م = 7.93 كجم/م².

6. هل يمكن أن تساعد الكثافة في اكتشاف السبيكة الخاطئة؟
   نعم. يمكن أن تشير الانحرافات الكبيرة عن الكثافة المتوقعة إلى كيمياء أو مسامية غير صحيحة، ولكن اختبار التركيب يؤكد هوية السبيكة بشكل أفضل.

7. ما معيار القياس الذي يجب أن أستخدمه للمساحيق أو الأجزاء المسامية؟
   يغطي ASTM B311 طرق قياس الكثافة التي تعمل مع أجزاء تعدين المساحيق. بالنسبة للأجزاء السائبة الكثيفة، تعتبر ممارسة أرخميدس وغيرها من طرق ASTM شائعة.

8. هل الفولاذ المزدوج غير القابل للصدأ أقل وزنًا من الفولاذ الأوستنيتي؟
   غالبًا ما يكون وزن درجات الدوبلكس أقل قليلًا لكل وحدة حجم من الأوستنيتي الثقيل مثل 316، ويرجع ذلك في الغالب إلى اختلاف موازين السبائك. استخدم أرقام ورقة بيانات الدرجة للمقارنة الدقيقة.

9. هل تختلف الكثافة بين الموردين؟
   يمكن أن يوجد اختلاف طفيف بسبب اختلاف التركيبات داخل النطاقات القياسية. بالنسبة للمشاريع الحرجة، اطلب قيم MTR أو قم بقياس العينات.

10. ما مصادر الخطأ التي تؤثر على قياس كثافة أرخميدس؟
    انحباس الفقاعات، والانحراف في درجة الحرارة، والمسامية المتصلة بالسطح، والمعايرة غير الدقيقة للميزان، وقوة الطفو من دعامة العينة. اتبع المعايير والممارسات المعملية الجيدة لتقليل الأخطاء.

مراجع موثوقة

• الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 304 AISI - MatWeb / بيانات المواد ASM
• الفولاذ المقاوم للصدأ من النوع 316 AISI - MatWeb / بيانات المواد ASM
• معهد النيكل - إرشادات التصميم لاختيار واستخدام الفولاذ المقاوم للصدأ (PDF)
• ASTM B311 - طريقة اختبار قياسات الكثافة لمعادن المسحوق والممارسات ذات الصلة

ملاحظات ختامية وقائمة مراجعة عملية للمهندسين والمشترين

• بالنسبة لتقديرات الوزن الروتينية استخدم الكثافات الاسمية في القسم 2. بالنسبة للقبول النهائي أو الوزن الحرج للعقد، اطلب الكثافة المقاسة أو أدرج طريقة اختبار متفق عليها في طلب الشراء.

• عند تبديل الدرجات للتصميمات الحساسة للوزن، قم بإجراء الحساب السريع في القسم 6 وتحقق من التمدد الحراري في حالة التشغيل في درجة حرارة مرتفعة.

• بالنسبة للمكونات المصنّعة المضافة أو المصبوبة، قم بتضمين قياس الكثافة في خطة الفحص الخاصة بك. وتبقى طريقتا أرخميدس وقياس الغازات هما الطريقتان الأكثر عملية.