انتخاب مواد در طراحی شناورهای مدرن، یکی از تصمیمات بنیادینی است که مستقیماً بر عملکرد، ایمنی و هزینههای چرخه عمر شناور تأثیر میگذارد. در دهههای اخیر، آلیاژهای آلومینیوم به دلیل برتریهای کلیدی نسبت به فولاد سنتی، جایگاه خود را به عنوان یک ماده استراتژیک در صنعت دریایی تثبیت کردهاند. محرک اصلی این گذار، مزایای ذاتی آلومینیوم مانند چگالی پایین و مقاومت برجسته در برابر خوردگی در محیط تهاجمی دریا است که منجر به ساخت شناورهایی سبکتر، سریعتر و با مصرف سوخت بهینهتر میشود.
اهداف این مقاله، ارائه یک تحلیل فنی عمیق از آلیاژهای پرکاربرد سری ۵۰۰۰ و ۶۰۰۰ برای مهندسان مواد، طراحان کشتی و متخصصان صنعت دریایی است. در این تحلیل، تمرکز بر خواص مکانیکی، مکانیزمهای استحکامدهی، فرآیندهای عملیات حرارتی و عملکرد این آلیاژها در شرایط واقعی بهرهبرداری، از جمله تأثیر دما و جوشکاری، خواهد بود. این بررسی به طراحان کمک میکند تا با درک عمیقتری از رفتار این مواد، انتخابهای بهینهتری برای کاربردهای مختلف داشته باشند.
برای شروع، لازم است تفاوتهای بنیادی بین آلومینیوم و فولاد را به عنوان دو رقیب اصلی در ساخت سازههای دریایی بررسی کنیم.
درک تفاوتهای بنیادی بین آلیاژهای آلومینیوم و فولاد، اولین و مهمترین گام در طراحی بهینه و ایمن شناورها است. این تفاوتها که از چگالی و مدول یانگ تا رفتار در برابر ضربه و خوردگی را در بر میگیرند، بر تمام جنبههای طراحی، از مصرف سوخت و پایداری شناور گرفته تا فرآیندهای ساخت و طول عمر سازه تاثیر می زاره،
مزایای کلیدی آلیاژهای آلومینیوم که باعث پیشرفت مستمر کاربرد آنها در صنعت کشتیسازی از دهه ۱۹۵۰ به بعد است، عبارتند از:
شکل ۱- منحنی تک محوره تنش-کرنش
دو سری اصلی از آلیاژهای آلومینیوم در صنایع دریایی کاربرد گسترده دارند که تفاوت اساسی آنها در نحوه استحکامدهی نهفته است:
جدول زیر ترکیب شیمیایی برخی از آلیاژهای پرکاربرد دریایی را نشان میدهد.
جدول ۱- ترکیب شیمیایی آلیاژهای منتخب دریایی (بر اساس استاندارد EN)
در ادامه، به تحلیل عمیقتر خواص و فرآیندهای مرتبط با آلیاژهای سری ۵۰۰۰ میپردازیم.
آلیاژهای سری ۵۰۰۰ به دلیل ترکیب منحصربهفردی از استحکام متوسط، جوشپذیری عالی و مقاومت استثنایی در برابر خوردگی آب دریا، به عنوان ماده اصلی و ستون فقرات سازههای دریایی آلومینیومی، به ویژه برای ساخت بدنه و روسازه، شناخته میشوند.
خواص مکانیکی این آلیاژها به شدت به ترکیب شیمیایی و تمپر (شرایط عملیاتی) آنها بستگی دارد. در میان آلیاژهای پرکاربرد دریایی مانند 5754، 5086 و 5083 در تمپر رایج O/H111، یک موازنه مشخص بین استحکام و انعطافپذیری دیده میشود. آلیاژ 5754 با حداقل استحکام تسلیم (Rp0.2) ۱۰۰ مگاپاسکال و حداقل ازدیاد طول نسبی (A%) ۱۸٪، بیشترین انعطافپذیری را برای عملیات شکلدهی فراهم میکند. آلیاژ 5086 با Rp0.2 برابر با ۱۲۵ مگاپاسکال و A% برابر با ۱۶٪، استحکام بالاتری ارائه میدهد. در نهایت، آلیاژ 5083 با Rp0.2 برابر با ۱۲۵ مگاپاسکال و حداقل استحکام کششی نهایی (Rm) ۲۷۵ مگاپاسکال، بالاترین استحکام را در این گروه داراست، اما این افزایش استحکام با کاهش جزئی انعطافپذیری همراه است. انتخاب بین این آلیاژها به نیازهای طراحی خاص هر بخش از سازه بستگی دارد.
استحکام در آلیاژهای سری ۵۰۰۰ از طریق کار سرد (Cold Working) یا سختکاری کرنشی (Strain Hardening) حاصل میشود. در این فرآیند، تغییر شکل پلاستیک در دمای پایین باعث افزایش چگالی نابجاییها در ساختار کریستالی فلز شده و در نتیجه استحکام و سختی آن افزایش مییابد.
در مقابل، برای نرم کردن فلز و بازیابی انعطافپذیری آن پس از کار سرد، از عملیات حرارتی بازپخت (Annealing) استفاده میشود. این فرآیند که در دماهای بالاتر انجام میشود، شامل سه مرحله اصلی است که در شکل ۳-۱ نشان داده شده است:
شکل 2- منحنی سختی در طول تابکاری (بازپخت)
سیستم نامگذاری تمپرهای کارسخت شده (H) بر اساس استاندارد EN 515 تعریف میشود. این کد معمولاً از دو رقم تشکیل شده است:
در کاربردهای دریایی، تمپرهای خاصی تعریف شدهاند که خواص بهینهای برای این محیط ارائه میدهند:
در ادامه، آلیاژهای سری ۶۰۰۰ که قابلیت استحکامدهی از طریق عملیات حرارتی را دارند، مورد بررسی قرار میگیرند.
اهمیت استراتژیک آلیاژهای سری ۶۰۰۰ در قابلیت تولید پروفیلهای اکسترود شده با اشکال هندسی پیچیده نهفته است که به عنوان اجزای سازهای در کشتیها و سکوهای دریایی به کار میروند. قابلیت عملیات حرارتی به این آلیاژها اجازه میدهد تا پس از فرآیند شکلدهی، به استحکام بسیار بالاتری نسبت به سری ۵۰۰۰ دست یابند و در عین حال جوشپذیری خوبی را حفظ کنند.
فرآیند عملیات حرارتی برای دستیابی به حداکثر خواص مکانیکی در آلیاژهای سری ۶۰۰۰ شامل سه مرحله اصلی است که در شکل 3 به تصویر کشیده شده است:
شکل 3- توالی سخت گردانی زمانی
جدول 2- شرایط عملیات حرارتی و پیرسازی برای آلیاژهای سری ۶۰۰۰
سیستم نامگذاری تمپرهای عملیات حرارتی شده (T) برای توصیف وضعیت نهایی آلیاژ پس از عملیات حرارتی و پیرسازی به کار میرود.
جدول 3- تشریح تمپرهای اصلی عملیات حرارتی
پس از بررسی خواص استاندارد، ضروری است که عملکرد این آلیاژها را در شرایط واقعی و چالشبرانگیز دریایی، از جمله دماهای متغیر و پس از جوشکاری، تحلیل کنیم.
خواص مکانیکی استاندارد که در جداول ارائه میشوند، تنها بخشی از داستان هستند. عملکرد واقعی یک شناور به شدت به رفتار آلیاژها در دماهای متغیر بهرهبرداری و همچنین تأثیرات فرآیندهای ساخت، به ویژه جوشکاری که میتواند خواص ماده پایه را به طور موضعی تغییر دهد، بستگی دارد.
رفتار آلیاژهای آلومینیوم در دماهای مختلف، یکی از ملاحظات مهم طراحی است:
جوشکاری یک فرآیند ضروری در ساخت شناور است، اما حرارت ورودی آن باعث ایجاد یک ناحیه متأثر از حرارت (Heat-Affected Zone – HAZ) در اطراف خط جوش میشود (شکل ۵-۳). در این ناحیه، ساختار میکروسکوپی و خواص مکانیکی فلز پایه دچار تغییر و تضعیف میشود. این تضعیف در آلیاژهای کارسخت شده سری ۵۰۰۰ به دلیل فرآیند بازپخت موضعی (آنیل شدن) و از بین رفتن اثر کار سرد رخ میدهد، در حالی که در آلیاژهای عملیات حرارتی شده سری ۶۰۰۰، این پدیده ناشی از انحلال یا درشتشدگی (فراپیرسازی) رسوبات سختکننده Mg₂Si است.
شکل ۵-۳: اتصالات جوش خورده
برای مقابله با این چالش، آلیاژهای نوینی مانند Sealium توسعه یافتهاند. این آلیاژ که به عنوان جایگزینی برتر برای 5083 H116 طراحی شده، خواص مکانیکی بسیار بهتری را پس از جوشکاری حفظ میکند.
جدول ۵: مقایسه خواص مکانیکی آلیاژ Sealium و 5083 (فلز پایه و اتصال جوشی)
همانطور که در جدول مشاهده میشود، استحکام تسلیم (Rp0.2) در ناحیه جوش Sealium به طور قابل توجهی بالاتر از 5083 است که به معنای مقاومت بیشتر در برابر تغییر شکل پلاستیک در این ناحیه حساس است. علاوه بر این، نمودار مقاومت به خستگی (شکل ۸-۳) نشان میدهد که Sealium تحت بارهای چرخهای نیز عملکرد بهتری نسبت به 5083 H116 از خود نشان میدهد. به عنوان مثال، در سطح تنش ۱۷۰ مگاپاسکال، آلیاژ 5083 H116 در حدود ۲۰۰,۰۰۰ سیکل دچار شکست میشود، در حالی که Sealium بیش از ۱,۰۰۰,۰۰۰ سیکل را تحمل میکند که نشاندهنده بهبود چشمگیر عمر خستگی است.
تحلیل ارائه شده نشان میدهد که انتخاب آلیاژ آلومینیوم برای کاربردهای دریایی فراتر از بررسی صرف خواص مکانیکی استاندارد است و نیازمند درک عمیقی از رفتار مواد در شرایط واقعی است. نتایج کلیدی این بررسی را میتوان در چند نکته خلاصه کرد:
بنابراین، تسلط بر این جزئیات فنی برای مهندسان و طراحان، یک الزام غیرقابل انکار برای ساخت شناورهای آلومینیومی ایمن، کارآمد و با عمر طولانی است.
منبع:
اصول طراحی شناورهای آلومینیومی نوشتهی محسن خسروی بابادی و امین رضوانپور.
مطالعه قسمت اول این مقاله:
مطالعه مواردی برای مطالعه بیشتر:
تاریخچه و آینده پیشرانش دریایی؛ تحلیل جامع از موتور بخار تا آمونیاک و هیدروژن
محقق و پژوهشگر
کارشناس ارشد مهندسی مواد و متالورژی
🚢 چرا آلومینیوم انتخاب اول صنعت کشتیسازی مدرن است؟ (کاهش وزن تا ۶۶٪!) آلومینیوم دیگر فقط یک فلز معمولی نیست؛ در صنعت ساخت شناورهای پرسرعت و مدرن، یک تحول به شمار میآید. در مقایسه با فولاد، مزایای فنی و عملیاتی آلومینیوم آنقدر چشمگیر است که دیگر این فلز نه یک جایگزین، بلکه انتخاب اول […]
بخش ۲- هندسه و فرم بدنههای تکبدنه[1] پس از درک دستهبندیهای اصلی بر اساس رفتار هیدرودینامیکی، اکنون به بررسی فرمهای هندسی مختلف در شناورهای تکبدنه میپردازیم. این فرمها، که از اشکال ساده تا طرحهای پیچیدهتر را شامل میشوند، به طور مستقیم بر ویژگیهای عملکردی شناور تأثیر میگذارند. 1- بدنههای کف-صاف[2] بدنههای کف-صاف، همانطور که از […]
مقدمهای بر معماری دریایی و اهمیت فرم بدنه معماری دریایی، رشتهای مهندسی است که با طراحی، ساخت، نگهداری و بهرهبرداری از شناورهای دریایی سروکار دارد. در قلب این رشته، طراحی بدنه (Hull) قرار دارد که میتوان آن را مهمترین عامل تعیینکننده در عملکرد یک شناور دانست. بدنه، ساختار اصلی و بدنه شناور است که به […]
مشاهده ویدیو ۷ عنصر کلیدی برای عملکرد بهینه طراحی بدنه قایق طراحی بدنه (Hull) یک قایق، مهمترین عاملی است که نحوه حرکت، پایداری، نرمی و خشکی آن در دریا را تعیین میکند. عملکرد یک قایق صرفاً یک شانس نیست، بلکه نتیجه مهندسی دقیق هفت عنصر کلیدی است که در هماهنگی با یکدیگر کار میکنند. درک […]