Festigkeit von Aluminium

Festigkeitseigenschaften

Für nahezu jedes Konstruktionsmaterial, einschließlich, und für Aluminium, Die wichtigsten mechanischen Eigenschaften sind:

• ultimative Zugfestigkeit,
• Streckgrenze 0,2 %
• relative Ausdehnung.

Aluminium-Strukturlegierungen haben eine Mindestzugfestigkeit von 200 zu 500 MPa. Luftfahrtlegierungen haben maximale Festigkeit, legiert mit Zink und Kupfer, z.B, Legierung 7075 (Bild 1).

 

Bild 1 – Festigkeitsstufen von Aluminiumlegierungen

Unlegiertes Aluminium kann diese Festigkeit auch unter kaltverfestigten Bedingungen nicht erreichen, die durch seine kalte plastische Verformung entstehen. Diese Zustände werden erreicht, z.B, zum Kaltwalzen von Blechen und Ziehen von extrudierten Rohren. Gleichzeitig, Kaltverformung von unlegiertem Aluminium führt zu einer deutlichen Erhöhung seiner Festigkeit Eigenschaften (Zugfestigkeit R_ich Zug- und Streckgrenze R_p0,2) im Vergleich zu unlegiertem Aluminium im "weichen" Zustand, z.B, nach dem Glühen (Abbildung 2).

Typische strukturelle Aluminiumlegierungen, die für tragende Konstruktionen von Gebäuden und Bauwerken verwendet werden, sind hochlegierte Ausführungen von thermisch ungehärteten Legierungen der Systeme Al-Mg und Al-Mg-Mn und thermisch gehärteten Legierungen der Systeme Al-Mg-Si und Al-Zn-Mg.

Bild 2- Mindestertragsstärken 0,2% und
Zugfestigkeit
nach europäischen Normen EN 485-2, AUF 754-2 è IN 755-2
dfür verschiedene Arten von Aluminiumknetlegierungen [1]

Zwei Härtungsmechanismen

Es gibt zwei Mechanismen zum Härten von Aluminiumlegierungen., die sich ergänzen können:

• Kaltverfestigung (automatisch) und
• thermisches Härten (Alterung).

Als Ausgangspunkt für die Beurteilung des Festigkeitswachstums von Aluminiumlegierungen durch Verformung oder thermisches Härten werden in der Regel die Werte der Festigkeitskennwerte der Legierung im „weichen“ Zustand verwendet, das ist sein Zustand nach dem vollständigen Glühen.

Selbst im Zustand des vollständigen Glühens nimmt die Festigkeit jeder Legierung mit zunehmendem Gehalt an Zwischengitteratomen in der festen Lösung von Aluminium zu., das heißt, eine Erhöhung des Gehalts an Legierungselementen. Beispiele sind Legierungen der Systeme Al-Mg und Al-Mg-Mn, die durch Kreise mit Pluszeichen (+) am unteren Rand des Diagramms im Bild dargestellt sind 1.

Kaltverfestigung

Kaltverfestigung ist plastische Verformung, z.B, durch Kaltwalzen, wodurch Versetzungen im Kristallgitter von Aluminium entstehen. Mit zunehmendem Grad der plastischen Verformung kollidieren diese Versetzungen zunehmend miteinander und, als Ergebnis, erhöhen den Widerstand gegen weitere Verformung und, daher, es gibt eine Zunahme der Stärke. Kaltverfestigung (Work-Hardening) äußert sich in Form einer starken Erhöhung des Verhältnisses R_p0,2/R_ich mit entsprechend merklicher Abnahme des Wertes der relativen Bruchdehnung des Prüflings.

Bild 3 – Einfluss des Grades der Autofrettage auf die mechanischen Eigenschaften [3]

Dieser Härtungsmechanismus wird verwendet, um die Festigkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen folgender Legierungssysteme zu erhöhen:

• Al
• Al-Mn
• Al-Mg
• Al-Mg-Mn

Erweichungsglühen

Rekristallisation

Jede Festigkeitssteigerung durch Kaltverfestigung verschwindet bei Temperaturen über 250 ºС durch Rekristallisation und die Festigkeit der Aluminiumlegierung kehrt auf dieses Niveau zurück, die er in einem "weichen" Zustand hatte. Glühen bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur (die von der chemischen Zusammensetzung der Legierung und dem Grad der plastischen Kaltverformung abhängt) führt zu einem weniger dramatischen Festigkeitsverlust als Ergebnis des Rückstellprozesses.

Bild 4 – Härte- und Gefügeänderungen beim Glühen [3]

Rückkehr

Dieses thermische Erweichen (Glühen bei einer Temperatur 200-250 ºС) bewerben, z.B, um einen "halbfesten" Zustand für das Blech zu erhalten, die sich im "festen" Zustand befindet. Bei einem gegebenen Festigkeitsniveau einer Aluminiumlegierung ist die Dehnung deutlich höher, als bei gleicher Stärke, die einfach durch Kaltplastikverarbeitung gewonnen wird.

Bild 5 – Isotherme Glühkurven der Legierung 5754 [3]

Thermisches Härten

Die thermische Härtung von Aluminiumlegierungen erfolgt hauptsächlich aufgrund des Alterungsmechanismus. Daher ist dieser Härtungsmechanismus nur auf einige Systeme von Aluminiumlegierungen anwendbar., sowie:

• Al-Cu
• Al-Cu-Mg
• Al-Mg-Si
• Al-Zn
• Al-Zn-Mg
• Al-Zn-Cu-Mg

Erwärmung zum Abschrecken und Härten

Der vorbereitende Vorgang für diesen Härtungsmechanismus ist das Erhitzen auf eine Temperatur, bei dem möglichst viele Legierungselemente in eine feste Lösung von Aluminium übergegangen sind. Dieser Vorgang wird Lösungsglühen oder Wärmebehandlung zum Härten genannt.. Anschließend wird die Legierung durch Abschrecken schnell auf Raumtemperatur abgekühlt, was zur Unterkühlung der festen Lösung von Aluminium und zum "Einfrieren" der darin enthaltenen Legierungselemente in einen thermodynamisch ungleichgewichtigen Zustand führt.

Bild 6 – Verfahren zum thermischen Härten von Legierungen der Serie 6xxx [3]

Altern

Der Prozess der Härtung durch Alterung tritt auf, wenn diese gehärtete legierung:

• lange bei Raumtemperatur gelagert (natürliche Alterung) – Bild 7;
• bei erhöhter Temperatur gehalten (ca 200 ºС) für mehrere Stunden (künstliche Alterung) – Bild 8.

Bild 7 – Einfluss der Temperatur auf die natürliche Alterung der Legierung 2024
(Rm – Zugfestigkeit, Rp0,2 – Streckgrenze (0,2%)) [3]

Bild 8 – Typische Kurven der künstlichen Alterung
bei unterschiedlichen Temperaturen für Legierung 2024 [3]

Zugfestigkeit

Auf dem Bild 9 zeigt typische Spannungs-Dehnungs-Kurven für einachsige Zugversuche von vier verschiedenen Aluminiumlegierungen im Vergleich zu:

• kohlenstoffarmen Stahl;
• hochfester Stahl und
• Titanlegierung.

Abbildung 9 - Spannungs-Dehnungs-Kurven von Aluminiumlegierungen
im Vergleich zu anderen Baustoffen [2]

Aluminium repräsentiert:

• 99,5 %-ny Aluminium (Aluminium Grad 1050A gemäß der internationalen Klassifizierung – Analog der Aluminiumsorte AD0 nach GOST 4784-97) im geglühten Zustand; gut geeignet für Tiefprägungen;
• Aluminiumlegierung des Al-Mg-Systems mit 4,5 % Magnesium – Legierung 5083 (AMg4,5) in einem halbjustierten Zustand (H12); verwendet in Schiffs- und Schweißkonstruktionen;
• Aluminiumlegierung 6082 (AD35) Al-Mg-Mn-Si-Systeme, gehärtet und gealtert auf T6-Zustand (für maximale Festigkeit); im Bauwesen verwendet;
• Aluminiumlegierung 7075 (B95) Al-Zn-Mg-Cu-Systeme im Zustand maximaler thermischer Härtung; im Flugzeugbau verwendet.

(Numerische Daten zur Zugfestigkeit vieler Aluminiumlegierungen siehe. Hier).

Stärke / Gewichtsverhältnis

Wie auf dem Bild zu sehen ist 1, Von allen vorgestellten Metallen haben hochfeste Stähle das höchste Festigkeits-Gewichts-Verhältnis. Es folgen die Titanlegierung Ti-6Al-4V und Flugzeugaluminiumlegierungen und etwas weiter - die Aluminiumlegierungen 5083-H12 und 6082-T6.

Wenn wir Stärke bedenken, was pro Masseneinheit erreicht wird, Stärke durch Dichte dividieren, dann bekommen wir ein ganz anderes Bild (Abbildungfigur 10). Bei diesem Ansatz ist das effektivste Konstruktionsmaterial eine Aluminiumlegierung. 7075, und Legierungen 5083-N12 und 6082-T6 sehen effizienter aus, als kohlenstoffarme Stähle.

 

Bild 10 - Festigkeit pro Dichteeinheit von Aluminiumlegierungen und
sonstige Baustoffe [2]

Quellen:
1. Werkstoffe des Deutschen Aluminiumverbandes
2. TALAT 1501
3. Korrosion Aluminium /Ch. Former – ELSEVIER, 2004