متفرقات

علم المواد - الصلب

صلب

في حين أن الهدف من صناعات الألمنيوم والبلاستيك هو تحقيق تخفيضات في وزن السيارة عن طريق استبدال منتجاتها بمكونات الصلب ، فإن الهدف من صناعة الصلب هو مواجهة هذه الاختراقات من خلال تطويرات مبتكرة مثل القوة العالية ، ولكن غير المكلفة ، "فولاذ دقيق السبائك يحقق وفورات في الوزن عن طريق تقليل السماكة. بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير السبائك التي يمكن تلطيفها (تقويتها) في أفران تحميص الطلاء بدلاً من أفران المعالجة الحرارية المنفصلة والمكلفة المطلوبة عادةً للفولاذ التقليدي.

الفولاذ السبائكي ، المعروف أيضًا باسم الفولاذ عالي القوة منخفض السبائك (HSLA) ، وسيط في التركيب بينالفولاذ الكربوني ، الذي يتم التحكم في خصائصه بشكل أساسي بكمية الكربون التي يحتوي عليها (عادة أقل من 1 في المائة) ، وتمت إضافة سبائك الفولاذ ، التي تستمد قوتها وصلابتها ومقاومتها للتآكل بشكل أساسي من عناصر أخرى ، بما في ذلك السيليكون والنيكل والمنغنيز ، بكميات أكبر إلى حد ما. تم تطوير فولاذ HSLA في الستينيات من القرن الماضي وتم إحيائه في أواخر السبعينيات لتلبية الحاجة إلى توفير الوزن من خلال قوة أكبر ، ويميل الفولاذ HSLA إلى أن يكون منخفضًا في الكربون مع إضافات دقيقة من التيتانيوم أو الفاناديوم ، على سبيل المثال. عرضمقاومة الشد التي يمكن أن تزيد عن ثلاثة أضعاف قيمة الفولاذ الكربوني المصممة لاستبدالها (على سبيل المثال ، 700 ميغا باسكال مقابل 200 ميغا باسكال) ، أدت إلى توفير كبير في الوزن من خلال تقليل السماكة - وإن كان ذلك بفقدان بسيط للصلابة الهيكلية النماذج هي نفس أنواع الفولاذ الأخرى. تعتبر منافسة تمامًا لبدائل الألمنيوم لسببين: أنها غير مكلفة نسبيًا (يبيع الفولاذ بنصف سعر الألمنيوم على أساس الوزن لكل وحدة) ؛ وهناك حاجة إلى تغيير طفيف للغاية في إجراءات التصنيع والمعالجة في التحول من الفولاذ الكربوني إلى الصلب HSLA ، في حين أن التغييرات الرئيسية مطلوبة عادة في التحول إلى الألومنيوم.

تم تطوير الفولاذ خبز-hardenable خصيصا لغرض القضاء على تلفيق مكلفة خطوة- أي لفرن المعالجة الحرارية ، حيث يتم نقل الفولاذ بقوته النهائية. للقيام بذلك ، صمم علماء المواد الفولاذ الذي يمكن تقويته في نفس الأفران المستخدمة لخبز طلاء الجسم على الجزء. يجب أن تعمل هذه الأفران في درجات حرارة منخفضة نسبيًا (170 درجة مئوية ، أو 340 درجة فهرنهايت) ، بحيث يجب تطوير فولاذ خاص يحقق قوة مناسبة في درجات حرارة المعالجة الحرارية التي تقل كثيرًا عن تلك المستخدمة عادة (حتى 600 درجة مئوية ، أو 1100 درجة فهرنهايت). مع العلم أن الفولاذ عالي السبائك لن يكون قابلاً للتصلب أبدًا في مثل هذه درجات الحرارة المنخفضة ، ركز علماء المواد اهتمامهم على الفولاذ الكربوني ، ولكن حتى هنا لا يمكن الحصول على نقاط القوة الكافية في البداية. ثم في 1980s علماء اليابانيينطورت شركة سوميتومو للصناعات المعدنية صلبًا يحتوي على النيتروجين (وهو غاز يشكل ثلاثة أرباع الغلاف الجوي للأرض) بالإضافة إلى الكربون والعديد من الإضافات الأخرى. يمكن تحقيق نقاط قوة عالية جدًا (أكثر من 900 ميغا باسكال) وصلابة ممتازة على الأجزاء المشكلة مع هذه الإضافة غير المكلفة بعد الخبز لمدة 20 دقيقة في درجات حرارة نموذجية لعملية خبز الطلاء.

بلاستيك والمركبات

الدافع لاستبدال المكونات المعدنية للسيارات والشاحنات والقطارات بالبلاستيك هو توقع توفير كبير في الوزن بسبب الاختلافات الكبيرة في الكثافة المعنية: البلاستيك هو سدس وزن الفولاذ ونصف وزن الألمنيوم لكل وحدة أربعة حجمالخامس. ومع ذلك ، كما هو الحال في تقييم مدى ملاءمة استبدال الفولاذ بالألمنيوم ، يجب على عالم المواد مقارنة الخصائص الأخرى للمواد من أجل تحديد ما إذا كانت المقايضات معقولة. لسببين ، فإن الاستنتاج المحتمل هو أن البلاستيك ببساطة غير مناسب لهذا النوع من التطبيقات: قوة معظم المواد البلاستيكية ، مثل الإيبوكسي والبوليستر ، تقارب خمس قوة الفولاذ أو الألمنيوم ؛ ومعامل المرونة الخاص بهم هو واحد على ستين من الفولاذ وواحد على عشرين من الألومنيوم. على هذا الأساس، لا يبدو البلاستيك مناسبًا للمكونات الهيكلية. ما الذي يفسر إذن الاستخدام الناجح لهم؟ تكمن الإجابة في الجهود التي بذلها على مر السنين علماء المواد وكيميائيو البوليمرات والمهندسون الميكانيكيون ومديرو الإنتاج للجمع بين الراتنجات الضعيفة نسبيًا وذات الصلابة المنخفضة مع التعزيزات عالية القوة وعالية المعامل ، وبالتالي صنع مواد جديدة تسمى مركبات مع المزيد من خصائص مناسبة من البلاستيك وحده.

يتم اختيار التعزيزات المستخدمة في المركبات بشكل عام لقوتها العالية ومعاملها ، كما هو متوقع ، ولكن الاعتبارات الاقتصادية غالبًا ما تفرض تنازلات. على سبيل المثال،تحتوي ألياف الكربون على قيم معاملات عالية للغاية (تصل إلى خمسة أضعاف قيمة الفولاذ) وبالتالي فهي تقدم تعزيزات ممتازة. ومع ذلك ، فإن تكلفتها تمنع استخدامها على نطاق واسع في السيارات والشاحنات والقطارات ، على الرغم من استخدامها بانتظام في صناعة الطيران . أكثر ملاءمة للتطبيقات غير الفضائيةالألياف الزجاجية (التي يمكن أن يقترب معاملها 1.5 مرة من الألومنيوم) أو ، في حالات خاصة إلى حد ما ، خليط من الزجاج وألياف الكربون.

الشكل المادي وشكل تختلف التعزيزات بشكل كبير ، اعتمادًا على العديد من العوامل. أكثر التعزيزات فعالية هي الألياف الطويلة ، والتي تستخدم إما في شكل قطعة قماش منسوجة أو كطبقات منفصلة من ألياف أحادية الاتجاه مكدسة فوق بعضها البعض حتى يتم تحقيق سماكة التصفيح المناسبة. يمكن وضع الراتينج على الألياف أو القماش قبل وضعه ، وبالتالي تشكيل ما يسمى مواد التقوية المسبقة ، أو يمكن إضافته لاحقًا عن طريق "تبليل" الألياف. في كلتا الحالتين ، يتم معالجة التجميع ، عادة تحت الضغط ، لتشكيل المركب. يستفيد هذا النوع من المركبات بشكل كامل من خصائص الألياف وبالتالي فهو قادر على إنتاج ألواح قوية وصلبة. لسوء الحظ ، فإن العمالة التي تنطوي عليها عمليات التشغيل وعوامل أخرى تجعلها باهظة الثمن ، لذلك لا يتم استخدام التعزيز طويل الألياف إلا بشكل ضئيل في صناعة السيارات .

تتضمن إحدى المحاولات لتجنب عمليات وضع اليد باهظة الثمن الألياف المقطعة التي يتم استخدامها في شكل حصيرة ، إلى حد ما مثل اللباد ، أو كألياف فضفاضة يمكن نفخها في قالب أو حقنها في قالب مع الراتينج. طريقة أخرى لا تستخدم الألياف على الإطلاق ؛ بدلاً من ذلك ، يكون التعزيز في شكل جزيئات صغيرة عالية المعامل. هذه هي الأقل تكلفة للمعالجة ، حيث يتم خلط الجزيئات ببساطة في الراتينج ، ويستخدم الخليط في أنواع مختلفة من القوالب. من ناحية أخرى ، فإن الجسيمات هي أقل مواد التعزيز كفاءة ؛ نتيجة لذلك ، التحسينات العقارية ليست معلقة.

عند اختيار المكونات الرئيسية الأخرى في المركبات ، فإنمصفوفة البوليمر ، يواجه المرء مجموعة متنوعة شاقة إلى حد ما ، بما في ذلك الإيبوكسي ، والبوليميدات ، والبولي يوريثان ، والبوليستر. لكل منها مزاياها وعيوبها التي يجب تقييمها لتحديد مدى ملاءمتها لتطبيق معين. من بين العوامل التي يجب مراعاتها التكلفة ودرجة حرارة المعالجة ( درجة حرارة المعالجة في حالة استخدام بوليمر حراري ودرجة حرارة الانصهار في حالة استخدام اللدائن الحرارية) ، وخصائص التدفق في القوالبالعملية ، ومقاومة الترهل أثناء خبز الطلاء ، ومقاومة الرطوبة ، ومدة الصلاحية. يمثل عدد مجموعات الراتنجات والتعزيزات وطرق الإنتاج ونسب الألياف إلى الراتنج تحديًا كبيرًا لدرجة أن علماء المواد يجب أن يتعاونوا مع كيميائيي ومهندسي البوليمرات من أقسام التصميم والإنتاج ومراقبة الجودة في الشركة من أجل اختر المجموعة المناسبة للتطبيق.

انطلاقا من التقدم المحرز في استبدال المعادن بالمركبات ، يبدو أن التقنيين كانوا يتخذون الخيارات الصحيحة. إدخال الجلود البلاستيكية المقواة بالألياف الزجاجية علىجنرال موتورز l953تميزت سيارة كورفيت الرياضية بأول ظهور للمركبات في نموذج الإنتاج ، واستمر ظهور المركبات في مكونات السيارات منذ ذلك الحين. في عام 1984 ، جنرال موتورزتم طرح Fiero في السوق بجسم كامل مصنوع من مواد مركبة ، وتبع ذلك طرازات Camaro / Firebird أبواب وألواح سقف ورفارف وأجزاء أخرى مصنوعة من مواد مركبة. تم اختيار المركبات أيضًا للألواح الخارجية فيزحل ، الذي ظهر في عام 1990. بالإضافة إلى ذلك ، كان لديهم تطبيقات أقل وضوحًا - على سبيل المثال ، مشعب سحب الهواء المصنوع من النايلون المقوى بالزجاج في بعضموديلات BMW .