Aluminiumeigenschaften

Aluminiumlegierungen bei erhöhten Temperaturen

Aluminium erreicht dazwischen seine maximale Festigkeit -100 und +100 Grad. Die Verbesserung bei niedrigen Temperaturen wird auf geschätzt 10%, und bei hohen Temperaturen sinkt sie schnell. Aluminiumlegierungen haben eine ausreichende Festigkeit bis 300°C.

Niedrig, normale und hohe Temperaturen

Die meisten Legierungen weisen ein Festigkeitsplateau zwischen etwa –100 °C und 100 °C auf. Unterhalb dieses Bereichs hat eine Aluminiumlegierung eine höhere Festigkeit und darüber eine geringere Festigkeit. Die Endfestigkeit der meisten Aluminiumlegierungen nimmt zu 30 zu 50% unterhalb dieses Bereichs, während der Anstieg der Streckgrenze bei niedrigen Temperaturen nicht so dramatisch ist, in der Größenordnung von liegen 10%. Sowohl die Bruch- als auch die Streckgrenze fallen oberhalb rapide ab 100 °C, sinkt bei 400 °C auf nahezu Null. Einige Legierungen (wie z 2219) behalten nützliche (wenn auch geringere) Stärken bei 300 °C. Abbildung 1 zeigt den Einfluss der Temperatur auf die Festigkeit verschiedener Aluminium-Knetlegierungen [1].

Abbildung 1 – Typische Zugfestigkeiten einiger Aluminiumlegierungen bei verschiedenen Temperaturen.
Angepasst von [1]

 

Angestiegene Temperaturen

Zugfestigkeit

Die Festigkeit von Aluminiumlegierungen nimmt mit zunehmender Temperatur ab, wobei die Auswirkungen der Aushärtung innerhalb enger Temperaturbereiche und verschiedener Haltezeiten ausgeschlossen sind. Bei kaltverformten oder wärmebehandelten Legierungen ist die Einwirkzeit wichtig (Abbildung 1501.05.09), hat jedoch kaum oder gar keinen Einfluss auf die Eigenschaften geglühter Legierungen. Die Aufheizzeit bei Prüftemperatur wird oft angegeben als 10,000 Std, aber mit dem
Zeit-Temperatur-Abhängigkeit der Festigkeit, ggf. müssen andere Einwirkzeiten berücksichtigt werden [2].

Abbildung 2 – Zugfestigkeit von 2014-T6 bei Testtemperaturen [2]

Andere Stärken

Scheren, Kompression, Lager- und Ermüdungsfestigkeiten variieren mit der Temperatur, ähnlich wie die Zugfestigkeit; Das Verhältnis dieser Festigkeiten zur Zugfestigkeit kann als konstant angenommen werden.

Hitzegehärtete Legierungen

Auch das Erhitzen hitzegehärteter Legierungen hat Auswirkungen auf die Festigkeit. Durch Erhitzen über einen ausreichend langen Zeitraum wird der Zustand des Materials auf den geglühten Zustand reduziert, Dies ist die schwächste Härte des Materials. Je höher die Temperatur, Je kürzer die erforderliche Zeit zum Glühen ist. Die Dauer der Einwirkung hoher Temperaturen verursacht nicht mehr als a 5% Die Verringerung der Festigkeit ist in der Abbildung dargestellt 3 für 6061-T6.

Abbildung 3 – Maximale Zeit bei erhöhten Temperaturen, 6061-T6 [1]

Exposition gegenüber erhöhten Temperaturen

Der Festigkeitsverlust, der durch die Einwirkung erhöhter Temperaturen verursacht wird, kann nur durch Wärmebehandlung oder Kaltumformung oder eine Kombination dieser Verfahren ausgeglichen werden, was bei Fertigteilen normalerweise nicht praktikabel ist. Die Zugfestigkeit einer AlCu4MgSi-Legierung, getestet bei Raumtemperatur nach Exposition bei erhöhter Temperatur, ist in der Abbildung dargestellt 4. Nach entweder kurzzeitiger Einwirkung hoher Temperatur oder längerer Einwirkung mittlerer Temperatur nähert sich das Material einem superweich geglühten Zustand und die untere Grenzfestigkeit bleibt konstant.

Abbildung 4 – Zugfestigkeit von 2014-T6 im Raum getestet
Temperatur nach Exposition bei erhöhter Temperatur [2]

Elastizitätsmodul

Der Elastizitätsmodul von Aluminiumlegierungen nimmt ebenfalls mit steigender Betriebstemperatur ab, jedoch im Gegensatz zu Festigkeiten, die sich bei einem niedrigeren Glühwert stabilisieren, Der Elastizitätsmodul kehrt nach der Belastung wieder auf seinen Raumtemperaturwert zurück (Abbildung 5 und Figur 6).

Abbildung 5 – Elastizitätsmodul von Aluminium
bei verschiedenen Temperaturen [2]

Abbildung 6 – Relativer Elastizitätsmodul für Aluminiumlegierungen
bei hohen Temperaturen [3]

Konstruktion von Bauteilen 9

Für thermische Beanspruchung bis 2 Std., der 0,2 % Dehngrenze bei erhöhter Temperatur der in den Abbildungstabellen aufgeführten Aluminiumlegierungen 7 und 8, Folgt aus:

Abbildung 7 – 0,2% Dehngrenze-Reduktionsfaktor für Aluminiumlegierungen bei erhöhter Temperatur
für bis zu 2 Stunden thermische Einwirkungszeit (Tabelle 1a aus [4])

Abbildung 8 – Untergrenzen der 0,2% Dehngrenze-Reduktionsfaktor
für Aluminiumknetlegierungen aus EN 1999-1-1,
die nicht in der Abbildungstabelle enthalten sind 7
(wie zum Beispiel, 3005, 3103, 5049, 5754, 6005EIN, 6106, 7020, 8011A),
bei erhöhter Temperatur bis zu 2 Stunden thermische Einwirkungszeit (Tabelle 1b aus [4])

Abbildung 9 – Elastizitätsmodul von Aluminiumlegierungen bei erhöhter Temperatur
für einen zweistündigen thermischen Einwirkungszeitraum (Tabelle 2 aus [4])

Abbildung 10 – 0,2% Dehngrenze und E-Verhältnisse
für Aluminiumlegierungen bei erhöhter Temperatur
für bis zu 2 Stunden thermischer Einwirkungszeitraum
(EN-AW 3004 und 6xxx-Legierungen [4])

Abbildung 11 – 0,2% Dehngrenze und E-Verhältnisse
für Aluminiumlegierungen bei erhöhter Temperatur
für bis zu 2 Stunden thermischer Einwirkungszeitraum, 5xxx Legierungen [4]

Schleichen

Unter ständigem Stress, Die Verformung eines Aluminiumteils kann mit der Zeit zunehmen, Verhalten, das als Kriechen bezeichnet wird. Kriecheffekte nehmen mit steigender Temperatur zu. Bei Raumtemperatur, Es tritt nur sehr geringes Kriechen auf, es sei denn, die Spannungen liegen nahe der Zugfestigkeit. Kriechen spielt in der Regel keine Rolle, es sei denn, die Spannungen werden bei Temperaturen über etwa 30 °C aufrechterhalten 95 °C.

Weitere Informationen zum Kriechen von Aluminium, sehen TALAT 1253.

Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen

Konventionelle Aluminiumlegierungen

Herkömmliche Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen wie 4032, 2618, 2014 oder 6082 werden für Hochleistungskolben verwendet, Luft- und Raumfahrt-Flugzeugzelle und andere Komponenten. Oberhalb von 300 °C verlieren diese Legierungen deutlich an Festigkeit.

Pulverförmige Aluminiumlegierungen

Um diese Einschränkung zu überwinden, wurden neue Aluminiumlegierungen entwickelt, die durch Pulververarbeitung hergestellt werden. Einige dieser fortschrittlichen Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen könnten Titan oder sogar Stahl ersetzen [5]

Diese Legierungen weisen auch nach Hunderten von Stunden bei Betriebstemperatur eine außergewöhnliche thermische Stabilität auf und übertreffen herkömmliche Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen 2618, erheblich (Abbildung 13).

Die meisten dieser neuen Hochtemperatur-Aluminiumlegierungen erfordern neue Verarbeitungswege wie eine fortschrittliche Pulververarbeitung.

Abbildung 12 – Chemische Zusammensetzung der Aluminiumlegierung Al-MS89 [5]

Abbildung 13 – Mechanische Eigenschaften der Aluminiumlegierung Al-MS89 bei erhöhten Temperaturen
im Vergleich zu herkömmlichen Aluminiumlegierungen 2618
(Expositionszeit – 1000 Stunden) [5]

Quellen:

  1. Aluminium und seine Legierungen / J. Randolph Kissell
  2. TALAT 1501
  3. TALAT 2502
  4. AUF 1999-1-2
  5. https://www.amt-advanced-materials-technology.com/materials/aluminum-high-temperature/